Biochemie und Pathobiochemie: Stoffwechsel

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Vereinfachte Übersicht über wichtige humane Stoffwechselwege
(Proteinogene Aminosäuren in grün, Intermediate von Glycolyse/Gluconeogenese und Citratzyklus in beige.)

Glycolyse / Gluconeogenese Glycogenolyse ⇒ α-D-Glucose ⇒ Fructose Glycogenolyse ⇒ G1P ⇔ Glycogen ⇐ UDP-Glc ⇔ G1P ⇔ Galactose ⇔ UDP-Glc ⇔ G1P ⇔ Uronsäuren ⇐ UDP-Glc ⇔ G1P ⇔ α-D-Glucose-6-phosphat ⇒ HMP-Weg ⇒ PRPP ⇒ NAD(P)+ ⇒ Pyrimidine ⇒ Purine ⇒ Biopterin ⇒ Inositolphosphate (Fructose-Abbau ⇒) Fru-2,6-P2 ⇔ Mannose und Fucose ⇔ β-D-Fructose-6-phosphat ⇔ Aminozucker ⇐/⇔ HMP-Weg β-D-Fructose-1,6-Bisphosphat Fructose-Abbau ⇒ Lipolyse ⇒ Glycerin ⇒ D-Glycerinaldehyd-3-phosphat / Dihydroxyacetonphosphat ⇐/⇔ HMP-Weg ⇒ Triglyceride ⇒ Phosphoglyceride 1,3-Bisphosphoglycerat 3-Phosphoglycerat ⇒ Serin ⇔ Glycin ⇒ Serin ⇒ Cystein ⇒ Taurin, CoA 2-Phosphoglycerat Phosphoenolpyruvat (PEP) ⇒ N-Acetylneuraminat (NANA) Citratzyklus ⇔ Oxalacetat (Gluconeogenese) ⇔ Aspartat ⇔ Asparagin NAD(P)+ ⇐ Tryptophan ⇒ Alanin ⇔ Malat (Citratzyklus) ⇔ Pyruvat ( ⇔ Laktat) ⇐ Cystein ⇓ Dehydrierende Decarboxylierung Lipolyse ⇒ Abbau ungesättigter und gesättigter Fettsäuren ⇒ Threonin ⇒ Carnitin ⇐ Lysin ⇒ Phenylalanin ⇒ T3/T4, Melanin, KCA ⇐ Tyrosin ⇒ Tryptophan ⇒ Leucin, Isoleucin ⇒ Ethanol ⇒ Acetyl-CoA ⇒ Biosynthese gesättigter und ungesättigter Fettsäuren ⇒ Ketonkörper ⇒ Terpenoide und Cholesterin ⇒ Eikosanoide ⇒ Triacylglycerin ⇒ Phosphoglyceride ⇒ Sphingolipide ⇒ Liponsäure ⇒ Ubichinon ⇒ Dolichol-P ⇒ Vitamin D-Hormon ⇒ Steroidhormone ⇒ Gallensäuren Citratzyklus Glycolyse / Gluconeogenese ⇔ Oxalacetat ⇔ Aspartat ⇔ Asparagin + Acetyl-CoA ⇓ Citrat [cis-Aconitat] Isocitrat α-Ketoglutarat ⇔ Glutamat ⇐ Histidin ⇔ Glutamin ⇔ Prolin ⇔ Ornithin NO, Kreatinphosphat, Spermin ⇑ Arginin ⇑ ⇒ Harnstoffzyklus Ungeradzahl. Fettsäuren, Threonin, Methionin, Valin, Isoleucin ⇓ Propionyl-CoA ⇒ Succinyl-CoA ⇒ Porphyrine ⇒ Abbau Succinat Aspartat ⇒ Phenylalanin ⇒ Tyrosin ⇒ Fumarat Malat ⇒ Pyruvat Oxalacetat

Bedeutung

Vereinfachtes Schema der katabolen Seite des Stoffwechsels.

Wie der Darstellung oben leicht zu entnehmen ist bilden die Glycolyse (Gluconeogenese) und der Citratzyklus das Rückgrat des gesamten Stoffwechsels. Einerseits wird hier der Zucker zur Energiegewinnung (ATP-Produktion) oxidiert, den die Pflanzen mit Hilfe der Photosynthese und Carbonfixierung produzieren. Anderseits liefern Glycolyse und Citratzyklus die Rohstoffe für zahlreiche Stoffwechselwege und nehmen umgekehrt deren Endprodukte auf, wenn sie nicht anderweitig ausgeschieden werden. Aufgefüllt wird dieses komplexe System durch die Nahrung, insbesondere durch Zucker, Fette und Aminosäuren. Darunter müssen insbesondere die essentiellen Aminosäuren und Fettsäuren aufgenommen werden, die der menschliche Körper nicht (mehr) synthetisieren kann. In kleinen Mengen müssen auch Vitamine und Mineralien zugeführt werden, sowie in großen Mengen Wasser, das der Körper ständig verliert. Wasser ist die Trägerlösung des gesamten Stoffwechsels.

Knotenpunkte

Folgende Substrate stellen wichtige Knotenpunkte im Stoffwechsel dar:

• Glucose - Bildung von Fructose und Glucose-6-phosphat für die Glycolyse
• α-D-Glucose-6-phosphat - G6P ist ein Allrounder-Molekül. Es kann für die Biosynthese von Glycogen, Galactose, Glucuronsäure und Inositol verwendet werden. Weiterhin kann es in den Pentosephosphat-Shunt einfließen und natürlich über die Glycolyse abgebaut werden. G6P stammt aus der Glucose (Nahrung), dem Glycogenabbau, der Gluconeogenese (und den daran hängenden Wegen) oder aus der Galactose. Im Ggs. zur Glucose können Glucose-6-phosphat und alle anderen phosphorylierten Intermediate der Glycolyse die Zelle nicht mehr verlassen.
• β-D-Fructose-6-phosphat - Bildung und Abbau von D-Fructose-2,6-bisphosphat, Verbindung zum Mannose- und Fucose-Stoffwechsel, Bildung und Abbau der Aminozucker, Endprodukt des HMP-Wegs bzw. hier reverser Eintritt.
• D-Glycerinaldehyd-3-phosphat / Dihydroxyacetonphosphat - Diese zwei Isomere verbinden die Glycolyse / Gluconeogenese mit dem Stoffwechsel der Triglyceride und Phosphoglyceride. Außerdem münden hier (ebenfalls zum Teil über Glycerin) die Abbauprodukte der Fructose ein.
• 3-Phosphoglycerat - Aus 3-Phosphoglycerat können die Aminosäuren Serin und Glycin gebildet werden und aus Serin wieder Cystein.
• Oxalacetat - Oxalacetat verbindet die Gluconeogenese (und indirekt die Glycolyse), den Citratzyklus und den Aspartat-/Asparagin-Stoffwechsel miteinander.
• Pyruvat - Pyruvat ist das Endprodukt der Glycolyse. Aus ihm kann Alanin gebildet werden. Umgekehrt können die Abbauprodukte von Tryptophan und Alanin sowie Cholin, Threonin, Glycin, Serin und Cystein hier eingeschleust werden. Pyruvat kann auch durch Decarboxylierung von Malat (durch das Malat-Enzym) aus dem Citratzyklus bezogen werden.
• Acetyl-CoA - Acetyl-Coenzym A ist ein wichtiger Scheidepunkt zwischen anabolen und katabolen Wegen. Acetyl-CoA ist einerseits der „Brennstoff“ des Citratzyklus, andererseits der Ausgangspunkt für zahlreiche Biosynthesen, v.a. für Fettsäuren, Ketonkörper und Cholesterin. Die aktivierte Essigsäure stammt hauptsächlich aus dem Abbau von Glucose, Glycerin, Fettsäuren und ketogenen Aminosäuren (Threonin, Lysin, Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan, Leucin, Isoleucin) und indirekt aus den damit verknüpften Wegen.
• α-Ketoglutarat - Das Intermediat des Citratzyklus stellt die Verbindung her zur „Stickstoff-Drehscheibe“ L-Glutamat, die wiederum die Aminosäuren Glutamin, Prolin und die Harnstoffzyklussubstrate Ornithin und Arginin liefert bzw. umgekehrt in den Citratzyklus einschleust. Histidin wird ebenfalls zu Glutamat abgebaut.
• Succinyl-CoA - Der Abbau von ungeradzahligen Fettsäuren, Threonin, Methionin, Valin und Isoleucin liefert Propionyl-CoA. Dieses kann nach Carboxylierung und Isomerisierung zu Succinyl-CoA an dieser Stelle in den Citratzyklus eingeschleust werden. Succinyl-CoA ist der Ausgangspunkt der Häm-Biosynthese.
• Fumarat - Entsteht aus Aspartat durch Stickstoffübertragung auf andere Moleküle und beim Abbau von Phenylalanin und Tyrosin.

Weblinks

• KEGG: Metabolism - Reference pathway

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