Physiologie und Anatomie
Stoffwechsel
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Bei der Gluconeogenese wird Glucose hergestellt. Wie und wo läuft sie ab, wie sehen die einzelnen Reaktionsschritte aus und wie hängt sie eigentlich mit der Glykolyse zusammen? All das erfährst du in diesem Beitrag.%Du möchtest das Thema noch schneller verstehen? Kein Problem, schau dir gerne unser dazugehöriges Video an.

Gluconeogenese einfach erklärt

Die Gluconeogenese (auch Glukoneogenese) ist ein anaboler (=aufbauender) Stoffwechselweg. In diesem Stoffwechselweg erfolgt die Herstellung von Glucose (C6H12O6) aus Pyruvat (C3H3O3). Sie umfasst den schrittweisen, enzymatischen Aufbau der Glucose. „Glukoneogenese“ bedeutet im Altgriechischen „süße Erzeugung“. Daraus kannst du dir also gut ableiten, dass Glucose hergestellt wird.

Oft wird die Gluconeogenese als Umkehrung der Glykolyse bezeichnet. Das ist aber so nicht richtig. Die Gluconeogenese ist keine identische Umkehrung der Glykolyse! Drei von zehn Reaktionen der Glykolyse sind irreversibel, also nicht umkehrbar. Die drei Schritte werden in der Gluconeogenese somit aus energetischen Gründen umgangen.

Die Gluconeogenese ist sehr wichtig, da sie im Körper für die Aufrechterhaltung eines konstanten Blutzuckerspiegels sorgt.

Definition

Die Gluconeogenese ist ein anaboler Stoffwechselweg zur Synthese von Glucose und findet bei allen Lebewesen statt. Ein Molekül Glucose wird dabei schrittweise und enzymatisch aus zwei Molekülen Pyruvat aufgebaut. Dabei wird Energie, meist in Form von ATP, verbraucht.

Gluconeogenese Bedeutung

Für den Menschen spielt die Gluconeogenese eine sehr große Rolle. Sie sorgt für die Aufrechterhaltung eines konstanten Blutglucosespiegels (Blutzuckerspiegels), auch wenn wir keine Nahrung zu uns nehmen. Glucose wird in menschlichen und tierischen Zellen in Form von Glykogen, das aus vielen Glucosemolekülen besteht, gespeichert. Wenn der Körper also Energie in Form von Glucose benötigt, stellt das Glykogen die entsprechende Menge zur Verfügung.

Vor allem für unser Gehirn, die Zellen des Nierenmarks und die Erythrozyten (rote Blutkörperchen) ist die Gluconeogenese sehr wichtig. Das liegt daran, dass sie nur durch die Zufuhr von Glucose mit Energie versorgt werden. 

Gluconeogenese Ablauf

Im Anabolismus, dem aufbauenden Stoffwechsel, werden aus kleinen Bausteinen (Monomere) große Moleküle (Makromoleküle) wie z.B. Kohlenhydrate hergestellt. Bei den Monomeren handelt es sich in Bezug auf Kohlenhydrate oft um den Einfachzucker Glucose. Da bei anabolen Reaktionen aus einfachen Molekülen komplexe Moleküle entstehen, wird Energie, meist in Form von ATP , verbraucht. Um Glucose herzustellen sind mehrere Reaktionsschritte nötig, wovon alle bis auf drei identisch zur Glykolyse (nur in umgekehrter Richtung) ablaufen.

%Folgende Abbildung hilft dir, einen <strong>Überblick</strong> über die drei Reaktionsschritte, die nur in der Gluconeogenese ablaufen, zu bekommen:  %<img class="size-medium wp-image-97836 aligncenter" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/01/Gluconeogenese-Bild1-259x300.png" alt="" width="259" height="300" />

%Beschriftung: Vereinfachte Darstellung der Reaktionsschritte der Gluconeogenese; alt.Text: Glucose, Pyruvat, ATP, Enzyme, Pyruvat zu Oxalacetat;@animation: das Bild umdrehen, also bei Pyruvat anfangen und bei Glucose enden.+ vor Glucose noch Glucose-6-phosphat einfügen die Begriffe am Rand weglassen (also das pinke und grüne). 

Gluconeogenese Orte

Die Gluconeogenese findet überwiegend in Leber und Niere statt. Das liegt daran, dass nur die beiden Organe mit allen zum Aufbau von Glucose notwendigen Enzymen %Verweis auf Enzyme ausgestattet sind.

Wenn wir das Ganze auf Zellebene betrachten, läuft die Gluconeogenese in drei Kompartimenten ab: Im Cytosol, im Mitochondrium und im glatten Endoplasmatischen Retikulum.

Benötigte Substrate und Enzyme

Das Substrat (= die Ausgangsverbindung) der Gluconeogenese ist meistens Pyruvat. Pyruvat entsteht aus den Vorstufen der Gluconeogenese. Diese nennst du Lactat, Glycerin und Aminosäuren. Ein weiteres Substrat kann Oxalacetat sein. Oxalacetat ist meist ein Produkt aus dem Aminosäureabbau. Ein letztes Substrat, das du in diesem Zusammenhang kennen solltest, ist Dihydroxyacetonphosphat. Dihydroxyacetonphosphat ist ein Derivat – also eine veränderte Form – von Glycerin und entsteht aus dem Fettabbau. Oxalacetat und Dihydroxyacetonphosphat werden an einer anderen Stelle eingeschleust. Sie werden also nicht zu Pyruvat abgebaut.

Da du jetzt alle wichtigen Substrate der Gluconeogenese kennst, schauen wir uns die Enzyme an. Wie du jetzt schon weißt, unterscheiden sich Glykolyse und Gluconeogenese in drei Reaktionsschritten. Also müssen auch nur drei Enzyme der Glykolyse ausgetauscht werden. 

Die folgende Tabelle zeigt dir, welche Enzyme der Gluconeogenese die jeweiligen „Gegenspieler“ zu den Enzymen der Glykolyse sind.

Enzyme der Glykolyse Enzyme der Gluconeogenese
Hexokinase Glucose-6-phosphatase
Phosphofructokinase-1 Fructose-1,6-bisphosphatase
Pyruvatkinase Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK)
Pyruvatcarboxylase

Reaktionsschritte

Da die Gluconeogenese teilweise eine Umkehr der Glykolyse ist, laufen die reversiblen Schritte der Glykolyse identisch in umgekehrter Richtung ab. Die Schritte, die gleich sind, sind zusammengefasst. Aus thermodynamischen Gründen gibt es drei irreversible Schritte, die nicht in umgekehrter Richtung ablaufen können. Die irreversiblen Schritte erklären wir dir im Detail.

Schritt 1: Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat

Pyruvat wird durch das Enzym Pyruvatcarboxylase zu Oxalacetat carboxyliert. Darunter kannst du dir vorstellen, dass eine Carboxygruppe (COO) eingeführt wird. Dazu wird Energie in Form eines Molekül ATP benötigt. Anschließend wird das Oxalacetat durch das Enzym Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PEPCK) zu Phosphoenolpyruvat decarboxyliert und phosphoryliert. Die Carboxygruppe (COO) wird also entfernt und eine Phosphorylgruppe (PO32-) eingeführt. Bei diesem Teilschritt wird 1 GTP (Guanosintriphosphat) verbraucht. %<img class="alignnone size-medium wp-image-97982" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/01/Gluconeogenese-Bild-1-Teil-1-300x250.png" alt="" width="300" height="250" />

%<img class="alignnone  wp-image-97994" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/01/Gluconeogenese-Bild-1-Teil-2-1-300x178.png" alt="" width="334" height="198" />
%Beschriftung: Schritt 1 der Gluconeogenese: Umwandlung von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat. %alt.Text: Pyruvatcarboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Oxalacetat, ATP, Enzyme, Anabolismus %animation: am besten in eine Zeile

Schritt 2-6: Umwandlung von Phosphoenolpyruvat in Fructose-1,6-biphosphat

Wie bereits erwähnt, fassen wir die fünf folgenden Schritte zusammen, da sie identisch zur Glykolyse ablaufen, nur eben in die andere Richtung. Es sind auch genau dieselben Enzyme wie bei der Glykolyse beteiligt. Fructose-1,6-biphosphat entsteht über folgende Zwischenprodukte: 2-Phosphoglycerat, 3-Phosphoglycerat, 1,3-Bisphosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat. Dabei wird 1 Molekül ATP und 1 Molekül NADH/H+ verbraucht. 

Schritt 7: Dephosphorylierung von Fructose-1,6-biphosphat zu Fructose-6-phosphat

In diesem Schritt wird Fructose-1,6-biphosphat durch das Enzym Fructose-1,6-bisphosphatase dephosphoryliert. Dem Molekül wird also eine Phosphorylgruppe (PO32-) entfernt und durch eine Hydroxygruppe (OH) ausgetauscht. Das entstandene Produkt nennst du  Fructose-6-phosphat.

%<img class="size-medium wp-image-97892 aligncenter" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/01/Gluconeogenese-Schritt-7-300x276.png" alt="" width="300" height="276" /></span><span style="color: #339966;"> %Beschriftung: Schritt 7 der Gluconeogenese: Dephosphorylierung von Fructose-1,6-biphosphat zu Fructose-6-phosphat. %alt.Text: Enzyme, Phosphorylierung

Schritt 8: Umwandlung von Fructose-6-Phosphat in Glucose-6-Phosphat

In diesem Schritt entsteht Glucose-6-Phosphat. Dieser Schritt erfolgt in umgekehrter Richtung identisch zur Glykolyse. 

Schritt 9: Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat zu Glucose

Im letzten Schritt kommen wir schließlich zu unserem Endprodukt – der Glucose. Dazu wird Glucose-6-phosphat von dem Enzym Glucose-6-phosphatase dephosphoryliert. Die Phosphorylgruppe (PO32-) wird durch eine Hydroxygruppe (OH) ersetzt und Glucose entsteht.%<img class=" wp-image-97913 aligncenter" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/01/Gluconeogenese-Schritt-9-300x200.png" alt="" width="320" height="213" /></span><span style="color: #339966;"> %Beschriftung: Schritt 9 der Gluconeogenese: Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat zu Glucose. %alt.Text: Enzym, Glucose Aufbau

Energiebilanz

Für die Synthese von einem Molekül Glucose werden ausgehend von zwei Molekülen Pyruvat vier Moleküle ATP, zwei Moleküle GTP und zwei NADH/H+ verbraucht. 

Die  Nettoreaktionsgleichung der Gluconeogenese sieht folgendermaßen aus: 

Nettoreaktionsgleichung

2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H2O → Glucose + 4 ADP + 2 GDP + 6 P+ 2 NAD++ 2 H+

Gluconeogenese und Glykolyse

Du weißt bereits, dass drei Schritte der Gluconeogenese unterschiedlich zu den Schritten der Glykolyse sind, was an dem Energieaufwand liegt. Wenn wir die gesamte Reaktion betrachten, wäre eine direkte Umkehr der Glykolyse sogar effizienter, was anhand der folgenden Energiebilanz deutlich wird:

2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O → Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

Hier kannst du sehen, dass nur 2 ATP anstatt 4 ATP nötig wären. Allerdings müssen ja drei Schritte aus energetischen Gründen umgangen werden. Deswegen werden bei der Gluconeogenese also 4 ATP (wie in der Energiebilanz oben gezeigt) benötigt.

Die Gluconeogenese und die Glykolyse sind zwei entgegenlaufende Stoffwechselwege. Da ein Glucoseabbau nicht gleichzeitig mit einem Glucoseaufbau stattfinden sollte, muss der Körper die beiden Stoffwechselwege genau regulieren. Die Regulation findet einmal bei der Reaktion von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat und einmal bei der Umsetzung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat statt. Die Aktivität der daran beteiligten Enzyme wird dabei reguliert.%Falls du die Schritte der Glykolyse noch einmal in Ruhe nachvollziehen willst, schau dir gerne unser Video dazu an! %Verweis Thumbnail Glykolyse


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