Glykolyse

Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den praktisch alle modernen Organismen gemeinsam haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist; die Glykolyse entstand möglicherweise in den ersten Prokaryonten vor rund 3,5 Milliarden Jahren.
Sie ist der wichtigste Abbauweg der Kohlenhydrate im Stoffwechsel und findet stets im Cytoplasma der Zelle statt.
Insgesamt ergibt sich in der Glykolyse eine positive Bilanz von 2 ATP-Molekülen.

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Die Glykolysereaktionen bis zum Pyruvat werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen durchlaufen.
In überwiegend anaerob arbeitenden Geweben wie dem Skelettmuskel wird das entstehende Pyruvat danach anaerob zu Milchsäure verstoffwechselt, wobei in der Lactatdehydrogenase-Reaktion das Coenzym NAD⁺ zurückgewonnen wird. (Reduktion von Pyruvat mit NADH/H⁺ liefert Lactat und regeneriert NAD⁺).

Aerob arbeitende Gewebe, wie der Herzmuskel, bauen dagegen Pyruvat zu Acetyl-CoA und CO₂ ab und das Acetyl-CoA weiter im Citratzyklus zu CO₂ und Wasserstoff. Die Mitochondrien können so aus den beiden entstehenden Molekülen Pyruvat maximal weitere 34 Moleküle ATP gewinnen (also insgesamt 36). Im Verlaufe der Atmungskette wird auch das vorher verbrauchte Coenzym NAD⁺ wiedergewonnen.

Es kann allerdings auch in Anwesenheit von Sauerstoff die komplette Glykolyse ablaufen. Dies ist z.B. bei einigen Tumorzellen der Fall, aber auch bei Erythrozyten, denen die Mitochondrien für die Atmungskette fehlen.

Im Ablauf der Glykolyse lassen sich im Wesentlichen drei Phasen unterscheiden:

1. Vorbereitsungsphase: Aktivierung der Glucose durch ATP, um die folgende Spaltung des Moleküls zu erleichtern.
2. Energiegewinnung: Oxidation der Spaltprodukte. Die freiwerdende Energie wird als ATP und NADH gespeichert.
3. Regeneration: Da der Vorrat des Coenzyms NAD⁺ begrenzt ist, wird es in den Folgereaktionen der Glykolyse wieder frei gesetzt.

Ablauf der Glycolyse im Detail:

Schritt 1: Aus Glucose und ATP wir Glucose-6-phosphat und ADP

Es handelt sich um eine Phosphorylierung. Durch Übertragung eines Phosphat-Restes auf die Glucose wird das Molekül energiereicher. Die Reaktion ist irreversibel. Es ist zu beachten, dass die Zellmembran zwar für Glucose, aber nicht für das entstehende Glucose-6-phosphat durchlässig ist, welches sich somit in der Zelle anreichert. Durch die Verschiebung des Gleichgewichts wird auch die weitere Aufnahme von Glucose in die Zelle begünstigt.
Das katalysierende Enzym heißt Hexokinase (nur in Leber und Pankreas ist es Glucokinase) und benötigt zur Reaktion außerdem Mg²⁺-Ionen, um die negativen Ladungen des ATP-Moleküls auszugleichen. Der Katalysator wird durch das Reaktionsprodukt Glucose-6-phosphat allosterisch gehemmt.

Schritt 2: Aus Glucose-6-phosphat wird Fructose-6-phosphat

Bei dieser Isomerisierung wird lediglich die Struktur des Moleküls verändert. Das katalysierende Enzym ist die Phosphohexose-Isomerase. Dieser Schritt ist notwendig, da zur Spaltung eines Glucose-Moleküls die Energie zweier ATP-Moleküle benötigt wird. Da das Glucose-Molekül aber nur eine Phosphatgruppe aufnehmen kann (am C-6-Atom), muss zunächst umgebaut werden. Das Fructose-Molekül kann nun sowohl am C-1, als auch am C-6-Atom jeweils eine Phosphatgruppe aufnehmen.

Schritt 3: Aus Fructose-6-Phosphat und ATP wird Fructose-1,6-bisphosphat und ADP

Fructose-6-Phosphat wird durch das Anhängen der zweiten Phosphatgruppe weiter aktiviert. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glykolyse, wesshalb sein Katalysator, Phosphofructokinase, als Schlüsselenzym der Glykolyse bezeichnet wird. Der Reaktionsschritt ist irreversibel. Der Katalysator kann sowohl durch ADP aktivert, als auch durch ATP und Fettsäuren gehemmt werden.

Schritt 4: Aus Fructose-1.6-bisphosphat wird Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyaceton-Phosphat

Mit Hilfe des Katalysators Aldolase wird das Molekül in Glycerinaldehyd-phosphat und Dihydroxyaceton-phosphat gespalten.
Die Reaktionsprodukte Glycerinaldehyd-phosphat- und Dihydroxyaceton-phosphat können ineinander umgewandelt werden, wobei das Gleichgewicht dieser Isomerisierungs-Reaktion fast ausschließlich (96%) auf der Seite des Dihydroxyaceton-phosphats liegt. Für die folgenden Schritte wird allerdings nur das Glycerinaldehyd-phosphat verwendet, wovon durch die vorige Teilung nun jeweils zwei Moleküle zur Verfügung stehen. Der für die Umwandlung von Dihydroxyaceton-phosphat in Glycerinaldehyd-phosphat zuständige Katalysator heißt Triosephosphat-Isomerase.

Schritt 5: Glycerinaldehyd-3-Phosphat und NAD⁺ wird zu 1,3-Bisphosphoglycerat und NADH/H⁺

Das Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert, wobei Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase die Reaktion katalysiert. Aus NAD⁺ entsteht dabei NADH/H⁺.
Dies kann in der Atmungskette (falls diese zur Verfügung steht) zu 3 ATP umgesetzt werden. Da der beschriebene Schritt für jedes Glucose-Molekül zweimal abläuft (siehe Schritt 4), entstehen hier insgesamt 6 ATP.
Außerdem lagert das Edukt Glycerinaldehyd-3-phosphat eine weitere Phosphatgruppe an und wird dadurch energiereicher.

Schritt 6: Aus 1,3-Bisphosphoglycerat und ADP wird 3-Phosphoglycerat und ATP

Die soeben aufgenommene Phosphatgruppe wird mit Hilfe des Katalysators Phosphoglyceratkinase auf ein ADP-Molekül übertragen, dabei entsteht energiereiches ATP. Zurück bleibt als Produkt das 3-Phosphoglycerat. Die erforderliche Energie wird durch die Abspaltung des O-Atoms aus der Phosphatgruppe bereitgestellt. Das Zusammenwirken der Schritte 5 und 6 zur Synthese von ATP wird als Substratketten-Phosphorylierung bezeichnet.
Die Energiebilanz der Glycolyse ist nach diesem Schritt ausgeglichen, (auch ohne Atmungskette). Es wurden zwei ATP benötigt, um die Glucose zu aktivieren und zu spalten, und jetzt wird bei der Oxidation der beiden Spaltprodukte je ein ATP aus ADP, zusammen also zwei ATP, gewonnen.
Liegt in der Zelle bereits ATP im Überschuss vor (und entsprechend wenig ADP), so hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht. Dies ist wichtig, da ATP relativ schnell zerfällt, wenn es nicht genutzt wird, und so eine Überproduktion verhindert wird.

Schritt 7: Aus 3-Phosphoglycerat wird 2-Phosphoglycerat

Das 3-Phosphoglycerat lagert sich in das isomere 2-Phosphoglycerat um. Die Reaktion wird durch Phosphoglyceromutase katalysiert. Die Isomerisierung ist notwendig, damit der nächste Reaktionschritt ablaufen kann, denn die Abspaltung von Wasser im Schritt 8 ist energetisch günstiger, wenn die Phosphatgruppe am zweiten C-Atom des Glycerat-Ions sitzt.

Schritt 8: Aus 2-Phosphoglycerat wird Phosphoenolpyruvat und Wasser

Mit Hilfe des Katalysators Enolase wird dem 2-Phosphoglycerat ein Wasser-Molekül entzogen. Der Energiegehalt des Moleküls nimmt wegen der so erhaltenen Doppelbindung dabei noch einmal zu.

Schritt 9: Aus Phosphoenolpyruvat und ADP wird Pyruvat und ATP

Es findet eine erneute Substratketten-Phosphorylierung statt, bei der erneut 2 ATP-Moleküle entstehen. Auch dieser Schritt ist irreversibel. Als Katalysator fungiert Pyruvatkinase. Diese wird durch Fructose-1,6-bisphosphat, Kalium- und Magnesiumionen aktiviert und durch Citrat, Calciumionen, ATP und Fettsäuren gehemmt. Das Pyruvat ist das Endprodukt der Glycolyse und gleichzeitig der Ausgangsstoff des Zitronensäure-Zyklus.

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