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Allgemeines
Der Fructosestoffwechsel steht in enger Verbindung zum Glucosestoffwechsel. Fructose (siehe Bild) ist als Monosaccharid in Früchten enthalten und wird häufig auch in Form von Saccharose (ein Disaccharid aus Fructose und Glucose, siehe Bild) konsumiert. Die Saccharose wird im Darm von der Saccharase-Isomaltase gespalten. Die Fructose wird von den Enterozyten resorbiert und teilweise bereits dort, zum Großteil jedoch auch in der Leber, zu der sie über die Pfortader gelangt, abgebaut. Fructose dient so wie Glucose direkt der Energiegewinnung (ATP-Bildung), wird jedoch, anders als Glucose, insulinunabhängig metabolisiert. Die Produktion von Fructose ist in den Samenblasen am stärksten und wird hier von Testosteron reguliert.
Da Fructose eine deutlich höhere Süßkraft besitzt als Glucose, wird sie von der Nahrungsmittelindustrie häufig für das Süßen von Lebensmitteln verwendet. In Deutschland wird ein Glucose-Fructose- oder ein Fructose-Glucose-Sirup verwendet. In den USA hat eine als HFCS (high fructose corn syrup) bekannte und aus Mais hergestellte Variante eine hohe wirtschaftliche Bedeutung.
Synthese und Abbau von Fructose
Fructose wird über den Polyolweg aus Glucose synthetisiert. Der Abbau von Fructose erfolgt über Fructose-1-phosphat und Glycerinaldehyd mithilfe der folgenden Enzyme. (1) Fructokinase, (2) Aldolase B, (3) Glycerinaldehydkinase, (4) Triosephosphatisomerase. Glycerinaldehyd-3-phosphat tritt in die Glykolyse ein und dient der Energiegewinnung.
(Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)Abbau von Fructose
Der Körper nimmt Fructose zum Beispiel als Disaccharid Saccharose auf, das in der Darmmukosa in Fructose und Glucose gespalten wird. Nach Resorption und Abgabe an das Pfortadersystem werden die Monosaccharide bevorzugt von der Leber aufgenommen und insbesondere die Fructose verstoffwechselt.
Fructose wird von der Fructokinase (Ketohexokinase) unter Verbrauch eines ATP zu Fructose-1-phosphat phosphoryliert. Die Fructokinase wird im Gegensatz zur Glucokinase nicht durch Insulin induziert. Daher wird Fructose auch bei Diabetikern normal abgebaut.
Fructose-1-phosphat wird von der Aldolase B (Fructose-1-phosphat-Aldolase), die nur in Leberzellen vorkommt, in Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten. Bei der Aldolase-A-Reaktion der Glykolyse entsteht Glycerinaldehyd-3-phosphat. Aldolase A und Aldolase B sind also nicht identisch.
Die Glycerinaldehydkinase (Triosekinase) phosphoryliert Glycerinaldehyd unter Verbrauch von ATP am C3, sodass Glycerinaldehyd-3-phosphat entsteht. Dieses kann entweder in die Glykolyse oder die Gluconeogenese eingeschleust werden.
Glycerinaldehyd kann auch über die Oxidation zu Glycerat und eine anschließende Phosphorylierung zu 3-Phosphoglycerat in die Glykolyse oder die Gluconeogenese münden. Alternativ kann Glycerinaldehyd auch zu Glycerin reduziert und dieses zu Glycerin-3-phosphat phosphoryliert werden. Das Glycerin-3-phosphat dient der Triacylglycerinsynthese oder steht nach seiner Oxidation zu Dihydroxyacetonphosphat ebenfalls der Glykolyse oder der Gluconeogenese zur Verfügung.
Dihydroxyacetonphosphat wird von der Triosephosphatisomerase zu Glycerinaldehyd-3-phosphat isomerisiert.
Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat können, je nach Stoffwechsellage, in die Glykolyse (Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase-Reaktion) eingeschleust werden und der Synthese von Pyruvat dienen, oder in die Gluconeogenese (Aldolase-A-Reaktion) eintreten und so in Glucose umgewandelt werden.
Wie beim Abbau von Glucose in der Glykolyse entstehen auch beim Abbau von Fructose bis zum Pyruvat netto 2 ATP.
Aldolase A und Aldolase B
Die beiden Enzyme sind nicht identisch:
Aldolase A: In der Glykolyse entsteht in der Aldolase-A-Reaktion durch Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat.
Aldolase B: Beim Abbau von Fructose werden in der Aldolase-B-Reaktion durch Spaltung von Fructose-1-phosphat Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gebildet.
Abbau der Fructose
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)Abbau von Fructose und Galactose
Strukturformeln in der Prüfung
Auch die Struktur der phosphorylierten Stoffwechselintermediate (z.B. Fructose-1-phosphat) wird gerne mal vom IMPP gefragt. Wenn du dir jedoch die Grundstruktur der Monosaccharide gut eingeprägt hast, kannst du auch leicht erkennen, an welchem C-Atom der Phosphatrest sitzen muss.
Synthese von Fructose
In den Samenbläschen wird Fructose über den Polyolweg ausgehend von Glucose synthetisiert. Dazu reduziert die Aldosereduktase zunächst mithilfe von NADPH, das aus dem Pentosephosphatweg stammt, die Aldehydgruppe am C1-Atom der Glucose, sodass Sorbitol (Sorbit) und NADP+ entstehen. Sorbitol wird anschließend von der Sorbitoldehydrogenase (Ketosereduktase) mit NAD+ am C2-Atom zu Fructose oxidiert, wobei NADH entsteht. Beide Reaktionen, die Reduktion der Glucose zu Sorbitol und die Oxidation des Sorbitols zu Fructose, sind reversibel, sodass aus Fructose auch Glucose gebildet werden kann.
Hereditäre Fructoseintoleranz
Die hereditäre Fructoseintoleranz beruht auf einem Defekt der Aldolase B und einem daraus folgenden Mangel an diesem Enzym. Fructose und Sorbit können nicht metabolisiert werden. In den Zellen, insbesondere in den Hepatozyten, reichert sich deshalb Fructose-1-phosphat an, das die Enzyme der Glykolyse und der Gluconeogenese kompetitiv hemmt. Die erkrankten Kinder fallen unter Ernährung mit Muttermilch in den ersten Monaten nicht auf. Erst durch die Zufuhr von Saccharose und Fructose z.B. in Form von Obst oder Gemüse treten Symptome auf. Es kommt zu Erbrechen, Krampfanfällen und Diarrhöen. Durch die entstehende Hypoglykämie, die durch Zufuhr von Fructose (in Form von Saccharose) begünstigt wird, treten Blässe, Schweißausbrüche und Krämpfe auf, die als Leitsymptome für die Erkrankung gelten. Es entwickelt sich eine Leberfunktionsstörung mit Fibrosierung der Leber und Ikterus. Die einzige kausale Therapie ist eine lebenslange fructose- und saccharosefreie Diät.
Karies
Bakterien der Art Streptococcus mutans, die zur normalen Flora der Mundhöhle gehören, scheiden eine Dextrantransglucosylase aus, die den Glucoseanteil des Rohrzuckers zu einem Dextran polymerisiert. Dieses Polysaccharid bildet Beläge auf den Zähnen, die die Bakterien vor dem Speichel schützen. Das Dextran kann wegen der 1,6-glykosidischen Bindungen von der Amylase des Speichels nicht abgebaut werden. Die Fructose als zweites Spaltprodukt des Rohrzuckers dient den Bakterien als Energielieferant. Sie wird zu Milchsäure abgebaut und greift den Zahnschmelz und das Dentin an. Als Folge entsteht Karies.
Wichtige Ketosen
Verlängert man die Kohlenstoffkette der einfachsten Ketose Dihydroxyaceton um eine C(H2O)-Einheit (blau), erhält man die Tetrose Erythrulose, von der es 2 Enantiomere gibt. Auch bei den Ketosen ist die Konfiguration am untersten chiralen C-Atom ausschlaggebend für die Klassifizierung. Weist die entscheidende OH-Gruppe (rot) am untersten chiralen C-Atom nach rechts, dann handelt es sich um ein D-Isomer, weist sie nach links, dann ist die Ketose ein L-Isomer. Die grau hinterlegten Monosaccharide sind in der Natur sehr häufig. *, Chiralitätszentrum
Struktur der nicht reduzierenden Disaccharide Saccharose und Trehalose
