Kurz gesagt: Die Phosphofructokinase-1 (PFK-1) wandelt Fructose-6-phosphat in Fructose-1,6-bisphosphat um und ist der wichtigste Regulationspunkt der Glykolyse. ATP und Citrat hemmen sie, AMP und Fructose-2,6-bisphosphat aktivieren sie. Die PFK-2 ist kein Glykolyseschritt, sondern bildet diesen Regulator und wird in der Leber von Insulin und Glucagon gesteuert.
Die Glykolyse hat zehn Schritte, aber nur drei davon sind unter physiologischen Bedingungen praktisch irreversibel: Hexokinase beziehungsweise Glucokinase, PFK-1 und Pyruvatkinase. An diesen Stellen setzt die Regulation an, und an diesen Stellen braucht die Gluconeogenese eigene Umgehungsenzyme. Die PFK-1 ist der Schritt, an dem die Zelle am deutlichsten entscheidet, ob Glucose weiter abgebaut wird.
ATP ist für die PFK-1 gleichzeitig Substrat und Signal. Als Substrat liefert es die Phosphatgruppe. Als allosterischer Effektor bindet es zusätzlich an eine regulatorische Stelle und senkt die Affinität für Fructose-6-phosphat. Ein hoher Energiezustand signalisiert also geringeren Bedarf an weiterer ATP-Produktion. Dieser Doppelcharakter ist im Lernheft die zentrale Verwechslung des Moduls: Ein Enzym kann ATP als Substrat und als Signal nutzen.
| Effektor | Wirkung auf PFK-1 | Was er signalisiert |
|---|---|---|
| ATP (hoch) | Hemmung | Energieladung ist hoch, weiterer Abbau nicht nötig |
| AMP | Aktivierung, hebt ATP-Hemmung auf | Energiemangel, etwa im arbeitenden Muskel |
| Citrat | Hemmung | Citratzyklus ist ausreichend versorgt, Bausteine für Synthesen vorhanden |
| Fructose-2,6-bisphosphat | Starke Aktivierung | In der Leber: Insulinzustand, Glucose ist reichlich vorhanden |
| H+ (niedriger pH) | Hemmung | Schutz vor weiterer Säurebelastung |
Die PFK-2 ist ein bifunktionelles Enzym. Ihre Kinase-Domäne bildet Fructose-2,6-bisphosphat, ihre Phosphatase-Domäne baut es wieder ab. In der Leber führt Glucagon über cAMP und Proteinkinase A zur Phosphorylierung des Enzyms. Dadurch überwiegt die Phosphatase, der Fructose-2,6-bisphosphat-Spiegel fällt, die Glykolyse wird gebremst und die Gluconeogenese gefördert. Insulin wirkt in die Gegenrichtung.
Nach der Mahlzeit
PFK-2 dephosphoryliert, Kinase aktiv, Fructose-2,6-bisphosphat steigt, PFK-1 aktiv, Glykolyse läuft.
Im Fasten
PFK-2 phosphoryliert, Phosphatase aktiv, Fructose-2,6-bisphosphat fällt, Fructose-1,6-bisphosphatase entlastet, Gluconeogenese läuft.
Im Muskel
Andere Isoform der PFK-2, Adrenalin steigert hier die Glykolyse. Leber und Muskel nicht gleichschalten.
Lernheft 11
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Lernheft ansehenTypisch sind drei Fragetypen. Erstens die Zuordnung von Effektoren zu Hemmung oder Aktivierung. Zweitens die Frage, welcher Schritt von der Gluconeogenese umgangen wird, hier die Fructose-1,6-bisphosphatase als Gegenspieler der PFK-1. Drittens die hormonelle Steuerung in der Leber, oft mit einer Falle beim Muskel, der keinen Glucagonrezeptor besitzt.
Kreuzfalle PFK-1 vs. PFK-2
Fructose-2,6-bisphosphat ist kein Zwischenprodukt der Glykolyse. Es wird von der PFK-2 gebildet und wirkt nur als Signal. Wer es in die Reaktionsfolge einbaut, verwechselt Weg und Regulation.
Meist wird die PFK-1 als wichtigster Regulationspunkt genannt. Sie setzt Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat um.
ATP bindet zusätzlich an eine allosterische Stelle. Bei hohem Energiezustand senkt diese Bindung die Aktivität des Enzyms.
Ein Regulatormetabolit, gebildet von der PFK-2. Er aktiviert die PFK-1 und hemmt die Fructose-1,6-bisphosphatase.
Über cAMP und Proteinkinase A sinkt Fructose-2,6-bisphosphat. Die Glykolyse wird gebremst, die Gluconeogenese gefördert.
AMP steigt bei Energiemangel. Es hebt die Hemmung durch ATP auf und steigert so den Glucoseabbau.
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