Glykolyse
Glykolyse (aus dem Griechischen glykys = süß und lysis = auflösen) ist der erstes Teil des Glukose-Katabolismus in den Zellen aller Lebewesen. In diesem biochemischen Abbauweg wird ein Molekül Glukose in neun enzymatisch katalysierten Reaktionen in zwei Pyruvat-Moleküle umgewandelt. Die sehr gut bekannte und untersuchte Form der Glykolyse ist der Embden-Meyerhof-Weg. Ein alternativer Weg ist der Entner-Doudoroff-Weg. Die Bezeichnung Glykolyse kann verwendet werden, um alle alternativen Abbauwege mit einzuschließen. Glykolyse wird jedoch hier als Synonym fur den Embden-Meyerhof-Weg verwendet.
Table of contents |
2 Die Reaktionsschritte der Glykolyse 3 Energetische Aspekte 4 Weblinks |
Ort der Glykolyse
Die Glykolyse findet im Cytosol einer Zelle statt. Verstand man früher darunter lediglich den anaeroben Abbau von Kohlenhydraten zur Milchsäure (Lactat), so weiß man heute, dass der Abbau der Glukose bis zur Brenztraubensäure (Pyruvat) unter anaeroben und aeroben Bedingungen gleichartig abläuft.
In Prokaryoten und in überwiegend anaerob arbeitenden Zellen oder Geweben (Skelettmuskel) von Eukaryoten wird das Pyruvat anaerob zu Milchsäure oder wie bei Hefen zu Ethanol verstoffwechselt. Aerob arbeitende Gewebe (Prototyp: Herzmuskel) bauen diesen "C3-Körper" im Citratzyklus zu CO2 ab, wobei die Energie der dabei entstehenden Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 zur Synthese von ATP) bei der "oxidativen Phosphorylierung" in der Atmungskette der Mitochondrien genutzt wird.
Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den praktisch alle modernen Organismen gemein haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist; die Glykolyse entstand möglicherweise in den ersten Prokaryonten vor 3,5 Milliarden Jahren.
Die Reaktionsschritte der Glykolyse
Der erste Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-phosphat. In Abhängigkeit vom Zelltyp wird diese Reaktion durch das Enzym Hexokinase (Hirn) oder Glucokinase (Leber, Pankreas katalysiert. Bei der Phosphorylierung wird 1 ATP verbraucht, was allerdings eine gute Investition darstellt. Die Zellmembran ist nämlich durchlässig für Glukose, aber nicht für das durch die Phosphorylierung entstehende Glukose-6-phosphat, welches sich dadurch in der Zelle anreichert und durch Verschiebung des Gleichgewichts an der Membran die Aufnahme von Glukose begünstigt. Glukose-6-phosphat wird dann von der Phosphoglukose-Isomerase in Fruktose-6-phosphat umgebaut. (An diesem Punkt kann auch Fruktose in den glykolytischen Weg eintreten.)
Danach verbraucht die Phosphofructokinase ein Molekül ATP, um Fruktose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP) zu bilden. Dieser Energieverbrauch ist auf zweierlei Weise gerechtfertigt: Zum einen macht dieser Schritt die Glykolyse irreversibel, zum anderen erlaubt die zweite Phosphatgruppe die Spaltung des Glukoserings durch Aldolase in Dihydroxyacetonphosphat und Glyzerinaldehyd-3-phosphat. (Dihydroxyacetonphosphat wird von der Triosephosphatisomerase in Glyzerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt.) Jedes der beiden resultierenden Glyzerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle wird dann durch NAD+ und Glyzerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) zu 1,3-Bisphosphoglyzerat (1,3-BPG) oxidiert.
Im nächsten Schritt erzeugt die Phosphoglyzeratkinase je ein Molekül ATP bei der Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglyzerat zu 3-Phosphoglyzerat. Damit ist die Energiebilanz der bisherigen Glykolyse ausgeglichen; zwei Moleküle ATP wurden verbraucht und wiedergewonnen. Diese ATP-Synthese braucht ADP als Basis. Falls die Zelle bereits viel ATP (und damit wenig ADP) hat, hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht. Diese Feedbackregulation ist wichtig, da ATP relativ schnell zerfällt, wenn es nicht genutzt wird. Überproduktion von ATP wird somit verhindert. Phosphoglyceromutase katalysiert dann 3-Phosphoglyzerat zu 2-Phosphoglyzerat, woraus schließlich Phosphoenolpyruvat wird; dieses wird schließlich in der Pyruvatkinasereaktion, unter Erzeugung eines weitern ATP, zu Pyruvat (auch Brentztraubensäure wie im zweiten Schema). Auch dieser Schritt ist ADP-reguliert.
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Reaktionsverlauf der Glykolyse |
Energetische Aspekte
Gleichgewichtslage
Bemerkenswert ist, dass die meisten Reaktionen welche der Bildung von Fruktose-1,6-bisphosphat folgen, energetisch ungünstig sind. Sie würden kaum ablaufen, wenn sie nicht durch die energetisch günstigen Kinasereaktionen (Phosphofructokinase (PFK), Phosphoglyzeratkinase (PGK), Pyruvatkinase (PK)) "hindurchgezogen" werden würden. Die hier zugrundeliegende Strategie ist erwähnenswert, begünstigt diese Gleichgewichtslage doch die Glukoneogenese, das ist die Synthese von Glukose aus Pyruvat bei günstigem Energiestatus. Dies erfordert alle Enzyme, bis auf zwei der erwähnten "Zugpferde", die allein der Glykolyse zugeordnet und hier mit -14 und -24 kJ/mol stark exergonisch sind.
Energieausbeute unter anaeroben und aeroben Bedingungen
Die Glykolyse selbst liefert 2 Moleküle ATP pro Molekül Glukose. Die Mitochondrien eines Eukaryonten können aus den beiden gleichzeitig eintstehenden Molekülen Pyruvat maximal weitere 36 Moleküle ATP gewinnen; diese Bilanz hängt vom Weg ab, auf dem cytosolisch gebildetes NADH + H+ die Mitochondrienmembran passiert (Shuttlesysteme).
Die Glykolysereaktionen bis zum Pyruvat werden sowohl in aerob als auch in anaerob arbeitenden Geweben durchlaufen. Die Regeneration des Oxidationsmittels (Coenzyms) NAD+, das zur Oxidation des Glyzerinaldehyd-3-phosphats durch die zugeordnete Dehydrogenase GAPDH eingesetzt und dabei zu NADH + H+ wird, erfolgt im ersten Fall in der Atmungskette. Im Falle anaeroben Stoffwechsels ist hierfür die stark exergone (ΔGo´ = - 25 kJ/mol) Lactatdehydrogenase- (LDH-)Reaktion zuständig: Reduktion von Pyruvat mit NADH + H+ liefert Lactat und regeneriert NAD+ (bei Hefe wird diese Funktion durch zwei Enzyme, Pyruvatdecaboxylase plus Alkoholdehydrogenase übernommen). Dieser "Kreisprozess" ist Inhalt der folgenden Abbildung:
- Gegenseitige Abhängigkeit der GAPDH-und LDH-Reaktionen bei anaerober Glykolyseführung. Mit Ausnahme geringer Mengen NADH,H+, die durch Glyzerinphosphatdehydrogenase (GDH) umgesetzt werden, muss der Großteil an NAD+ durch die LDH-Reaktion regeneriert werden.
Weblinks