Glykolyse

Zusammenfassung

• Die Glykolyse ist der erste Weg, um Energie aus Kohlenhydraten zu gewinnen
• Es ist ein komplexer Prozess, der die Aktivität verschiedener Enzyme und Co-Faktoren erfordert
• Die Glykolyse besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil muss ATP investiert werden, um Energie für die Aufspaltung von Glukose in zwei 3-Kohlenstoff-Zucker bereitzustellen.
• In der zweiten Hälfte der Glykolyse werden ATP und Elektronen aus Wasserstoffatomen gewonnen und an NAD+ gebunden, wodurch NADH entsteht.
• In der Energie-Investitionsphase werden zwei ATP-Moleküle investiert und in der Energie-Auszahlungsphase werden vier ATP-Moleküle gebildet. Dies ergibt einen Nettogewinn von zwei ATP- und zwei NADH-Molekülen für die Zelle.

Was ist Glykolyse?

Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung. Sie beschreibt eine Abfolge von Reaktionen, die Kohlenhydrate in kleinere Moleküle aufspalten. Grob gesagt, spaltet die Glykolyse ein Glukosemolekül auf und bildet zwei Pyruvatmoleküle, wobei zwei Moleküle ATP freigesetzt werden. Die Glykolyse hat sich vor langer Zeit entwickelt und wird von der großen Mehrheit der Organismen genutzt. Wörtlich bedeutet es „Zucker spalten“.

Stadien der Glykolyse

Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt. Es ist ein komplexer Prozess, der zehn Schritte umfasst, für die verschiedene Enzyme und Kofaktoren benötigt werden. Die Glykolyse kann in zwei Phasen unterteilt werden: die Energie-Investitionsphase und die Energie-Auszahlungsphase.

Energie-Investitionsphase

Während der Energie-Investitionsphase wird Glukose durch das Hinzufügen von zwei Phosphatgruppen modifiziert, wobei ein modifizierter Zucker namens Fruktose-1,6-bisphosphat entsteht. Dieses Molekül ist instabil und kann in zwei Hälften gespalten werden, um zwei 3-Kohlenstoff-Zucker zu bilden. Dies erfordert den Einsatz von zwei Molekülen ATP

Energieabgabephase

In der Energieabgabephase werden die Dreikohlenstoffzucker durch eine Reihe von enzymvermittelten Reaktionen in Dreikohlenstoffpyruvate umgewandelt. Während dieses Prozesses werden zwei ATP-Moleküle und ein NADH-Molekül gebildet. Da jedoch zwei Pyruvatmoleküle umgewandelt werden müssen, werden vier ATP- und zwei NADH-Moleküle gebildet.

Glykolyse im Detail

Glukose wird zunächst mit einem Enzym namens Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert. Dazu ist der Einsatz eines Moleküls ATP erforderlich. Glucose-6-phosphat wird dann durch ein Enzym namens Phosphoglucose-Isomerase in Fructose-6-phosphat umgewandelt. Als nächstes findet eine weitere ATP-abhängige Interaktion statt; das Enzym Phosphofructokinase wandelt Fructose-6-Phosphat in Fructose-1,6-Bisphosphat um. An diesen 6-Kohlenstoff-Zucker sind nun 2 Phosphatgruppen angehängt.

Dieses Molekül wird dann mit Hilfe eines Aldolase-Enzyms in 2 3-Kohlenstoff-Moleküle zerlegt. Diese 3-Kohlenstoff-Moleküle sind Glyceraldheyde-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP). Nur Glyceraldheyde-3-phosphat kann die nächsten Schritte der Reaktion durchlaufen, DHAP kann jedoch mit Hilfe des Enzyms Triosephosphat-Isomerase in Glyceraldheyde-3-phosphat umgewandelt werden. Glyceraldheyde-3-phosphat wird dann mit Hilfe der Glyceraldehydphosphat-Dehydrogenase in 1,3-Bisphosphoglycerat umgewandelt, wobei ebenfalls ein NADH entsteht.

In der Payoff-Phase kann die Phosphoglycerat-Kinase nun 1,3-Bisphosphoglycerat dephosphorylieren, um 3-Phosphoglycerat zu produzieren. Dabei entsteht 1 ATP pro Reaktion, und da es 2 Ausgangsmoleküle gibt, werden 2 ATP erzeugt. Anschließend wandelt die Phosphoglyceromutase 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat um, und das Enzym Enolase wandelt dieses in Phosphoenolpyruvat um. Schließlich dephosphoryliert die Pyruvatkinase das Phosphoenolpyruvat und erzeugt ein weiteres ATP pro Molekül (also 2 ATPs)

Am Ende der Glykolyse ergibt sich ein Nettogewinn von zwei Molekülen Pyruvat, zwei Molekülen ATP und 2 Molekülen NADH. Wenn Sauerstoff verfügbar ist, kann das Pyruvat in die Mitochondrien gelangen und durch den Prozess der Zellatmung zu Kohlendioxid oxidiert werden, wobei energiereiche Elektronen und viele Moleküle ATP freigesetzt werden. Wenn kein Sauerstoff zur Verfügung steht, findet eine anaerobe Atmung statt, bei der Milchsäure entsteht.

Referenzen und weiterführende Literatur

https://www.slideshare.net/prabeshrajjk/lecture-13-40727535 Einfaches Glykolyse-Diagramm

https://microbiologyinfo.com/glycolysis-10-steps-explained-steps-by-steps-with-diagram/ Detail-Glykolyse-Diagramm

Campbell, Neil A., und Jane B. Reece. Biology (8th Edition). San Francisco: Benjamin Cummings, 2007.

https://www.nature.com/scitable/content/glycolysis-14897204