Stoffwechselregulation
Wie besprochen, beginnt der Abbau der Glukose mit der Glykolyse. Obwohl in der Glykolyse selbst nicht wirklich viel Energie gewonnen wird, wird hier – über drei Schlüsselenzyme das weitere Stoffwechselgeschehen reguliert. Das wichtigste Regulationsenzym ist dabei die Phosphofruktokinase. Sie katalysiert den Phosphorylierungsschritt von Fruktose-6-phosphat zu Fruktose-1,6-bisphosphat.
Zellen produzieren in der Regel nicht über den tatsächlichen Bedarf hinaus. Daher sind die Schlüsselenzyme eines Stoffwechselwegs an ganz bestimmten Stellen zu finden:
- so früh wie möglich in einem Stoffwechselweg (möglichst die erste Reaktion)
- immer dann, wenn eine Reaktion sehr viel Energie freisetzt oder an diesem Reaktionsschritt sehr viel Energie eingesetzt werden muss.
Merke
Stoffwechselregulation: so früh wie nötig, so früh wie möglich!
Welche Möglichkeiten der Stoffwechselregulation gibt es?
A. Reglation auf Transkriptionsenbene
Diese Stoffwechselregulation ist gleichzeitig ein Ausflug in die Genetik.
Nur Erbmaterial, das abgeschrieben wird und in Form von messenger RNA (mRNA) in der Zelle vorliegt, dient als Vorlage für die Proteinbiosynthese. Das heißt, wird bereits die Transkription des Gens für ein bestimmtes Enzym (oder die Gene für eine Gruppe bestimmter Enzyme) verhindert, kann das Produkt eines Stoffwechselwegs nicht erzeugt werden. Kein Gen -> kein Enzym!
Beispiele für diese Art der molekularen Regulation sind das Lac- oder der Tryptophan-Operon.
B. Regulation der hergestellten Enzyme
Sind die Enzyme bereits hergestellt, lassen sich die Stoffwechselwege trotzdem noch regulieren. Dabei wird das (Schlüssel)Enzym direkt reguliert. Dies kann durch allosterische Regulation oder Enzymmodifikation erfolgen.
So gibt es in Lebewesen neben der universellen Energieübertragungsmöglichkeit des ATP noch eine weitere wichtige Aufgabe. ATP zeigt an, dass es der Zelle gut geht. Ist genügend ATP vorhanden, dann können die Prozesse der Energiegewinnung abgeschalten oder wenigstens nach unten reguliert werden. Gleichzeitig ist ein Spaltprodukt des ATP Zeiger für “Hunger” oder einen sehr niedrigen Energiegehalt der Zelle. Dies ist das cyclische AMP (cAMP).
Die Leber ist im menschlichen Körper das Hauptorgan für die Versorgung des Gesamtorganismus mit Glukose.
Beispiel: Regulation der PFK
Am Beispiel der Phosphofruktokinase (PFK) kann diese Regulation des Glukosespiegels sehr gut beobachtet werden. So wird die PFK der Leber durch eine hohe Konzentration von ATP gehemmt. ATP lagert sich wie ein nicht kompetitiver Inhibitor an das Enzym. Das aktive Zentrum der PFK verändert sich dabei derart, dass die Aktivität des Schlüsselenzyms nahezu zum Erliegen kommt. Insgesamt kommt durch die allosterische Regulation der PFK der gesamte Glukoseabbau zum Erliegen. Die PFK unterliegt einer negativen Rückkopplung: Je mehr ATP vorhanden ist, umso weiter wird der Glukoseabbau bzw. die PFK-Aktivität herunterreguliert.
Ist der Energiegehalt der Zellle niedrig (wenig ATP, viel AMP oder ADP), so wird die PFK durch das NICHT-binden des ATPs aktiviert, oder anders formuliert: ohne ATP-Bindung zeigt das Enzym seine “Standard-Aktivität”.
Gleichfalls unterliegt die PFK auch hormonellen Einflüssen. Die Hormone Insulin und Glukagon sind für die Regulation des Blutzuckerspiegels verantwortlich. Dabei wird Insulin ausgeschüttet, wenn bei der Nahrungsaufnahme Glukose in die Zellen transportiert werden soll. Glukagon hingegen wird ausgeschüttet, wenn der Blutglukosespiegel unter die magische Grenze von 80 mg Glukose/ dl Blut. Die PFK kann dann “überaktiviert” werden, also eine enzymatische Aktivität zeigen, die über der Standard-Aktivität liegt.
Dies ist ein recht komplexer Regelkreis aus mehreren Enzymen und dem Aktivator Fruktose-2,6-bisphosphat.
Aus Fruktose-6-Phosphat kann mit dem Enzym PFK2 Fruktose-2,6-bisphosphat gebildet werden. Fruktose-2,6-bisphosphat ist ein allosterischer Aktivator der PFK.
Hinweis
Die PFK im Muskel bzw. allen anderen Körperzellen außerhalb der Leber wird anders reguliert! So aktiviert hier z.B. das Hormon Adrenalin den Glukoseabbau (-> “flight and fight”: Energiebereitstellung für eventuelle Flucht).
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