Glykolyse

Synonym

  • Embden-Meyerhof-Weg, Embden-Meyerhof-Parnas-Weg

Übersicht

Biologie

Definition

  • Die Glykolyse ist ein kataboler Stoffwechselweg im Zytoplasma fast aller Organismen und Zellen zur Gewinnung von Energie in Form von ATP.

Bemerkungen

  • Bei der aeroben Glykolyse wird 1 mol Glucose zu 2 mol Pyruvat umgewandelt, bei der anaeroben Glykolyse ("Milchsäuregärung") wird 1 mol Glucose zu 2 mol Lactat abgebaut.
  • Die anaerobe Glykolyse ist der bedeutendste anaerobe Abbauweg der Kohlenhydrate überhaupt und als solcher sowohl bei Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen zu finden.
  • Je 1 mol umgesetzter Glucose werden 150,72 kJ Energie erhalten, die zur Nettosynthese von 2 mol ATP dienen.

Ablauf

  • Die folgenden Schritte laufen sowohl bei der aeroben als auch bei der anaeroben Glykolyse ab:
    1. Glucose, die nur in freier Form in die Zelle aufgenommen werden kann, wird nach Passage der Plasmamembran unter ATP-Verbrauch und mittels der Enzyme Hexokinase bzw. Glukokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert.
    2. Glukose-6-phosphat wird durch die Glucose-6-phosphat-Isomerase ins isomere Fruktose-6-phosphat umgewandelt.
    3. Fruktose-6-phosphat wird durch die Phosphofruktokinase erneut phosphoryliert, wodurch Fruktose-1,6-bisphosphat entsteht.
    4. Bei der folgenden Spaltung durch die Aldolase entstehen zwei phosphorylierte Triosen: Glyceron-3-phosphat und Glyceral-3-phosphat. Beide Formen können durch die Triosephosphatisomerase ineinander überführt werden.
    5. Glyceral-3-phosphat wird mit Hilfe der Glyzeral-3-phosphat-Dehydrogenase (mit dem Coenzym NAD+) oxidiert und durch Aufnahme eines anorganischen Phosphats (sog. Substratstufenphosphorylierung) zu 1,3-Bisphosphoglycerat, das eine sehr energiereiche gemischte Säureanhydridbindung enthält
    6. Diese Säureanhydridbindung wird mit Hilfe der Phosphoglyzeratkinase hydrolysiert, wobei die freiwerdende Energie zur Regeneration von ATP aus ADP genutzt wird (erster energieliefernder Schritt).
    7. Das dabei entstehende 3-Phosphoglycerat wird unter Katalyse der Phosphoglyceratmutase zu 2-Phosphoglycerat isomerisiert.
    8. Durch H2O-Abspaltung (mit Hilfe einer Enolase) entsteht Phosphoenolpyruvat.
    9. Der Phosphorylrest des gebildeten Phosphoenolpyruvat wird durch die Pyruvatkinase in einer stark exergonischen Reaktion auf ADP übertragen (zweiter energieliefernder Schritt), wobei Pyruvat entsteht.
  • An dieser Stelle trennen sich aerobe und anaerobe Glykolyse auf:
    • Bei der aeroben Glykolyse wird Pyruvat über weitere Metaboliten (Acetyl-CoA in Mitochondrien oder Malat im Zytosol) in den Citrat-Zyklus eingeschleust.
    • Bei der anaeroben Glykolyse folgt die Übertragung von Wasserstoff (durch die Lactatdehydrogenase mit dem Coenzym NADH) auf Pyruvat, wodurch Lactat entsteht, das über die Blutbahn in die Leber transportiert wird, wo es entweder zu CO2 und H2O abgebaut oder bei Energieüberschuss wieder zu Glucose und weiter zu Glykogen aufgebaut wird (vgl. Gluconeogenese).
  • Lediglich die Schritte 1, 3 und 9 gehen mit einer so hohen Enthalpieänderung einher, dass sie praktisch irreversibel sind und bei der formalen Umkehr der Glykolyse, der Gluconeogenese, umgangen werden müssen. Alle anderen Reaktionen sind frei reversibel und laufen in der Gluconeogenese unter Katalyse der gleichen Enzymkomplexe in umgekehrter Richtung ab.

Regulation

  • Schlüsselenzym der Glykolyse ist die Phosphofruktokinase, die durch hohe Mengen an ATP allosterisch gehemmt und durch ADP oder AMP aktiviert wird.
  • Das Produkt der Phosphofruktokinase-Reaktion, Fruktose-1,6-diphosphat, stimuliert die Aktivität der Pyruvatkinase.

Physiologie

Bemerkungen

  • Zellen und Gewebe, die unter anaeroben Bedingungen Energie benötigen (z.B. die Skelettmuskulatur), schlecht mit Sauerstoff versorgt sind (z.B. Retina, Knorpel oder Dünndarmmukosa) oder wie reife Erythrozyten keine Mitochondrien und damit keine Möglichkeit zur Energiegewinnung aus der Atmungskette besitzen, sind auf die anaerobe Glykolyse angewiesen.
  • Da die Energieausbeute aus Citrat-Zyklus und angeschlossener Atmungskette ist wesentlich ist, als der durch reine Glykolyse wird sie im Körper nur bei den oben aufgeführten Ausnahmefällen eingesetzt; bei ausreichender O2-Zufuhr wird kein Lactat gebildet (Pasteur-Effekt).
 

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