Nachdem es im ersten Teil zur Glucoseregulation um die Resorption von Glucose aus der Nahrung und das regulierende Hormon Insulin mit seinen Antagonisten ging, folgt im zweiten Teil wie Glucose vom Körper verbraucht, synthetisiert und gespeichert wird. Diese biochemischen Grundlagen werden besonders im Physikum abgefragt, sind aber essentiell um zu verstehen, was beim Diabetes mellitus nicht so abläuft, wie es sollte.
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Bild: “sugar” von Rupert Ganzer. Lizenz: CC BY 2.0


Die Glycolyse

Damit der Körper Energie in Form von ATP erhalten kann, ist die Aufspaltung von Glucose notwendig. Aus einem Molekül Glucose entstehen im Laufe des Prozesses zwei Moleküle Pyruvat und ebenfalls zwei Moleküle ATP. Zudem werden die Pyruvat-Moleküle für den Citrat-Zyklus genutzt, der wiederum an der Atmungskette beteiligt und für die weitere Bildung von ATP verantwortlich ist. Infolgedessen wird die Energiebilanz auf 38 Moleküle ATP pro ein Molekül Glucose gesteigert.

Die Enzyme, die für die Glycolyse notwendig sind, sind im Cytosol lokalisiert. Besonders anaerobe beziehungsweise fast anaerobe Zellen und Gewebe nutzen die Glycolyse zur Energieversorgung. Dazu zählen beispielsweise die Erythrocyten, Skelettmuskulatur oder die Mucosa des Dünndarms.

Bei der Glycolyse können die Hexosephase und die Triosephase unterteilt werden, wobei die Hexosephase vorausgeht. Die Triosephase hat im aeroben Modus zwei Moleküle Pyruvat zum Ergebnis und im anaeroben Modus zwei Lactat-Moleküle. Die einzelnen Reaktionsschritte sind:

  1. Hexokinase-Reaktion
  2. Glucosephosphat-Isomerase-Reaktion
  3. Phosphofructokinase-Reaktion
  4. Aldolase – Reaktion
  5. Glycerinaldehyd-3-P-Dehydrogenase-Reaktion
  6. Phosphoglyveratkinase-Reaktion
  7. Phosphoglyceratmutase
  8. Pyruvatkinase-Reaktion
  9. Lactatdehydrogenase-Reaktion

Bei den Reaktionsschritten 1-3 handelt es sich um die Hexophase, die Triosephase bilden die Reaktionsschritte 4-8 und Schritt 9 erfolgt nur im anaeroben Modus.

Ablauf der Glycolyse. Aus: Boeck, Gisela et al. Prüfungswissen Physikum. Thieme, 2009. S. 485

Ablauf der Glycolyse. Aus: Boeck, Gisela et al. Prüfungswissen Physikum. Thieme, 2009. S. 485

 

Eine weitere Möglichkeit, um Glucose zu verwerten, ist der Pentosephosphatweg, bei dem Ribose und NADPH entstehen. Es werden der oxidative, irreversible und der nicht-oxidative, reversible Weg unterschieden. Glykolyse und Pentosephosphat-Zyklus verlaufen teilweise parallel. Beim Diabetiker ist der Pentosephosphat-Zyklus gehemmt.

Die Gluconeogenese

Die Gluconeogenese ist ein umfangreicher und komplizierter Prozess, mit dem der Körper selbstständig aus Nicht-Kohlehydratvorstufen Glucose synthetisieren kann, um bei Bedarf alle Zellen mit Energie versorgen zu können. Lokalisiert ist die Gluconeogenese in der Leber und in der Niere, da dort alle notwendigen Enzyme vorhanden sind. Fettsäuren und Muskeln sind nicht zur Gluconeogenese fähig.

Zur Gluconeogenese werden vorrangig in Leber und Niere Laktat, Glycerin und die Aminosäuren Alanin, Aspartat und Glutamat verwendet. Der Ablauf der Neusynthese von Glucose folgt in entgegengesetzter Richtung wie die Glycolyse, aber ebenfalls im Cytosol. Allerdings kann die Übertragung nicht 1:1 erfolgen, es sind drei Umgehungsreaktionen erforderlich, bei denen andere Enzyme als bei der Glycolyse verwendet werden, da diese Reaktionen bei der Glycolyse irreversibel sind. Dabei handelt es sich um:

  • Hexokinase-Reaktion
  • Phosphofructokinase-Reaktion
  • Pyruvatkinase-Reaktion

Bei der Hexokinase-Reaktion kommt statt Hexokinase Glucose-6-Phosphatase zum Einsatz, bei der Phosphofructokinase-Reaktion Fructose-1,6-Biphosphatase statt Phosphofructokinase und bei der Pyruvatkinase-Reaktion Pyruvatcarboxylase und Phosphoenolpyruvatcarboxykinase statt Pyruvat-Kinase. Um Glucose zu synthetisieren, ist viel Energie notwendig, insgesamt sechs ATP-Moleküle kommen auf ein Glucose-Molekül. Durch Insulin wird die Gluconeogenese gehemmt und durch Glucagon, Glucocorticoide und Catecholamine gefördert.

Manche oralen Antidiabetika wie beispielsweise Biguanide hemmen die Gluconeogenese.

Schematische Darstellung der Gluconeogenese. Aus: Boeck, Gisela et al.: Prüfungswissen Physikum. Thieme, 2009, S. 518

Schematische Darstellung der Gluconeogenese. Aus: Boeck, Gisela et al.: Prüfungswissen Physikum. Thieme, 2009, S. 518

Die Speicherung von Glucose

Glycogen ist die Speicherform von Glucose und vereint bis zu 50.000 Moleküle, somit ist Glycogen ein Polysaccharid. Das größte Glycogenvorkommen ist in den Muskeln zu finden (bis zu 250g), die das Glycogen allerdings nur für sich selbst nutzen. Die Leber ist ein weiterer Ort der Glycogenspeicherung, dieses ist bei Bedarf jedoch für den gesamten Körper verfügbar (bis zu 150g), weshalb die Glycogenkonzentration in der Leber am höchsten ist. Prinzipiell sind alle Zellen zur Gluycogenolyse und -synthese fähig, nutzen Glycogen aber ausschließlich für die eigene Energieversorgung. Ort der Speicherung in den Zellen ist das Cytosol.

Ohne Glucose besteht Glycagon aus einem Startermolekül, das im Deutschen Glycogenin und im Englischen primer genannt wird. Immer zehn Glucose-Moleküle können mithilfe von α-1,4-glykosidischen Bindungen miteinander und mit dem Glycogen-Molekül verbunden werden. Unter Verwendung von UTP werden die Glucose-Moleküle aktiviert und durch das Enzym Glycogensynthase mit Glycogen verknüpft. Um die Glucose-Moleküle bei Bedarf wieder abspalten zu können, kommt Glycogenphosphorylase zum Einsatz. Der verzweigte Aufbau des Glycogen hat viele freie Enden zur Folge, die den schnellen Abbau zu Glucose durch die Glycogenphosphorylase ermöglichen.

Aufbau eines Glycogen-Moleküls mit angelagerten Glucose-Molekülen (schematisch nach Whelan). Das Rechteck ist das Glycogenin und die schwarzen Kreise die α-1,4-glykosidischen Bindungen. Aus: Doenecke, Detlef: Karsons Biochemie und Pathobiochemie. Thieme, 2005. S. 241

Aufbau eines Glycogen-Moleküls mit angelagerten Glucose-Molekülen (schematisch nach Whelan). Das Rechteck ist das Glycogenin und die schwarzen Kreise die α-1,4-glykosidischen Bindungen. Aus: Doenecke, Detlef: Karsons Biochemie und Pathobiochemie. Thieme, 2005. S. 241

Ist die Glucosekonzentration im Blut zu niedrig, wird der Glycogen-Abbau von Glucagon in der Leber und vom Adrenalin in den Muskeln aktiviert. Im Gegenzug sorgt die Ausschüttung von Insulin bei einer hohen Glucosekonzentration im Blut dafür, dass Glycogen aufgebaut wird, diese Reaktion ist beim Diabetiker gehemmt bzw. nicht mehr vorhanden. Glycogensynthese und Glycogenolyse sind entgegengesetzte Prozesse, die nicht gleichzeitig ablaufen können. Ist die eine Reaktion aktiviert, wird die andere gleichzeitig gehemmt.

Ausführlichere Informationen zu den einzelnen biochemischen Vorgängen der Blutzuckerregulation finden Sie in unserer Reihe „Chemie für Mediziner“, die regelmäßig erscheint, und hier.











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