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Lexikon der Biochemie: Glycolyse

Glycolyse (griech. glykos"süß" und lysis "Spaltung"), Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, ein für alle Organismen essenzieller Stoffwechselweg für den katabolischen Abbau von Glucose unter Bildung von Adenosintriphosphat (ATP). Im engeren Sinn versteht man darunter die anaerobe G., d. h. den Abbau von Glucose ohne Beteiligung von Sauerstoff zu Lactat (Salz der Milchsäure) bzw. Ethanol (alkoholische Gärung). Dieser Weg der anaeroben Verwertung von Glucose ist der älteste biochemische Mechanismus zur Gewinnung von Energie in Form von ATP, der die Entwicklung von lebenden Organismen in einer sauerstofffreien Atmosphäre ermöglichte. Die anaerobe G. ist für verschiedene anaerobe und fakultativ anaerobe Mikroorganismen der wichtigste Weg zur ATP-Gewinnung. Von je einem Molekül umgesetzter Glucose werden 150,72kJ (36kcal) Energie erhalten, die zur Nettosynthese von 2 Molekülen Adenosintriphosphat dienen. Unter aeroben Bedingungen ("aerobe" G.) ist unter Beibehaltung fast aller Reaktionsschritte Pyruvat (Salz der Brenztraubensäure) ein Intermediat, das anschließend durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex unter CO2-Abspaltung und Oxidation zu Acetyl-CoA weiterreagiert. Nach Einmündung in den Tricarbonsäure-Zyklus wird der Acetylrest zu CO2 abgebaut, und die gebildeten Reduktionsäquivalente führen in der Atmungskette zu einer deutlich höheren Energieausbeute.
Die G. bis zur Stufe des Pyruvats (Abb. 1, Tab.) wird durch 10 cytosolische Enzyme katalysiert. In der vorbereitenden Phase kommt es unter Verbrauch von ATP zur Bildung des Fructose-1,6-diphosphats, das danach zu 2 Molekülen Triosephosphat gespalten wird. Anschließend werden die letztlich aus Glucose gebildeten 2 Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat am C-1 oxidiert, wobei die gewonnene Energie in Form von Reduktionsäquivalenten (NADH + H+) und 1,3-Diphosphoglycerat konserviert wird (Abb. 2). Dieses Intermediat besitzt ein hohes Phosphatgruppenübertragungspotenzial und ermöglicht unter der Katalyse der Phosphoglycerat-Kinase den Transfer des Phosphatrests auf ADP unter Bildung von ATP (Substratkettenphosphorylierung). Nach Bildung von Phosphoenolpyruvat liefert die zweite Substratkettenphosphorylierung der G. ein weiteres Äquivalent ATP unter Generierung von Pyruvat. Das bei der Reaktion der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase gebildete NADH + H+ muss regeneriert werden. Während unter anaeroben Bedingungen viele Organismen die Elektronen des NADH + H+ auf Pyruvat unter Bildung von Lactat übertragen (Abb. 3), erfolgt die Regenerierung von NAD+ in den Mitochondrien im Prozess der Atmung. Auch im Wirbeltiermuskel führt intensive Muskelaktivität bei unzureichender Sauerstoffversorgung zur Lactatbildung. Bilanz:
Glucose (C6H12O6) + 2Pi + 2ADP → 2Lactat (C3H6O3) + 2ATP.
Hefezellen regenerieren NAD+ durch Pyruvatreduktion zu Ethanol und CO2. Diese anaeroben Prozesse werden als Fermentation oder Gärung bezeichnet.
Das Schlüsselenzym der Glycolyse ist die 6-Phosphofructo-Kinase (EC 2.7.1.11), die durch hohe ATP-Konzentrationen inhibiert und durch ADP und AMP aktiviert wird. Deren Produkt, das Fructosediphosphat, aktiviert die Pyruvat-Kinase. Der Pasteur-Effekt stellt einen weitere Regulierungsform der Glycolyse dar.



Abb. 2. Glycolyse. Mechanismus der Reaktionen 8 und 10 der Glycolyse (s. Tab.). Enzym1 = Triosephosphat-Dehydrogenase, Enzym2 = Phosphoglyceromutase.



Abb. 3. Glycolyse. Oxidoreduktionszyklus der Glycolyse.

Tab. Glycolyse. Reaktionen der Glycolyse.

Reaktion Nr. Reaktionsgleichung Name des Enzyms Inhibitoren ΔG0'(Freie Enthalpie) kJ/mol
(kcal/mol)
1 Stärke oder Glycogen + nPi → n-Glucose-1-P Phosphorylase
(EC 2.4.1.1)
+3,06
(+0,73)
2 Glucose-1-P → Glucose-6-P Phosphoglucomutase
(EC 2.7.5.1)
Fluorid, organische Phosphate -7,29
(-1,74)
3 Glucose + ATP → Glucose-6-P + ADP Hexokinase
(EC 2.7.1.1)
-16,77
(-4,00)
4 Glucose-6-P

Fructose-6-P
Glucosephosphat-Isomerase
(EC 5.3.1.9)
2-Desoxyglucose-6-P +1,68
(+0,40)
5 Fructose-6-P + ATP → Fructose-1,6-P2 +
ADP + H+
6-Phosphofructo-Kinase
(EC 2.7.1.11)
ATP, Citrat -14,24
(-3,40)
6 Fructose-1,6-P2

Dihydroxyaceton-P +
Glycerinaldehyd-3-P
Fructosediphosphat-Aldolase
(EC 4.1.2.13)
Chelatbildner (nur bei Enzymen aus Mikroorganismen) +24,01
(+5,73)
7 Dihydroxyaceton-P

Glycerinaldehyd-3-P
Triosephosphat-Isomerase
(EC 5.3.1.1)
+7,66
(+1,83)
8 Glycerinaldehyd-3-P + Pi + NAD+

1,3-P2-glycerat + NADH + H+
Glycerinaldehydphosphat-
Dehydrogenase
Threose-2,4-P2 +6,28
(+1,50)
9 1,3-P2-Glycerat + ADP + H+

3-P-glycerat + ATP
Phosphoglycerat-Kinase
(EC 2.7.2.3)
-18,86
(-4,5)
10 3-P-glycerat

2-P-glycerat
Phosphoglycero-Mutase
(EC 2.7.5.3)
+4,44
(+1,06)
11 2-P-glycerat

Phosphoenolpyruvat
Enolase
(EC 4.2.1.11)
Ca2+, Fluor + Pi +1,84
(+0,44)
12 Phosphoenolpyruvat + ADP + H+

Pyruvat + ATP
Pyruvat-Kinase
(EC 2.7.1.40)
Ca2+, Na+ -31,44
(-7,5)
13 Pyruvat + NADH + H+

Lactat + NAD+
Lactat-Dehydrogenase
(EC 1.1.1.27)
Oxamat -25,12
(-6,00)

Anmerkung: Die Reaktionen 8 bis 13 müssen im Ablauf der Glycolyse verdoppelt werden, da beide Triosen (Reaktionen 6 und 7) umgesetzt werden. P = Phosphat, Pi = anorganisches Phosphat.



Abb. 1. Glycolyse. Übersicht. a) Erste Stufe (Vorbereitungsstufe): Phosphorylierung von Glucose und ihre Umwandlung in Glycerinaldehyd-3-phosphat. b) Zweite Stufe (Ertragsstufe): Umsetzung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in Pyruvat und die daran gekoppelte ATP-Bildung.

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