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Lexikon der Ernährung: Glycolyse

Glycolyse, Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (nach Gustav Georg Embden), E glycolysis, glycolytic pathway, der Abbau von Glucose unter aeroben Bedingungen bis zu Pyruvat, im engeren Sinne die anaerobe G., d. h. der Abbau von Glucose ohne Beteiligung von Sauerstoff zu Lactat (Salz der Milchsäure, z. B. im Skelettmuskel) 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 (Energiestoffwechsel).
Die Enzyme der G. sind im Cytosol lokalisiert (Abb. 1). Die erste Phase der G. dient dem Umbau der Glucose, so dass zwei gleichartige Triosephosphate entstehen. Glucose wird unter ATP-Verbrauch zu Glucose-6-phosphat aktiviert (Enzyme: Hexokinase; in der Leber zudem Glucokinase, 1. Schlüsselenzym der G., induziert durch Insulin). Dieses wird zu Fructose-6-phosphat umgewandelt (Phosphohexose-Isomerase). Durch eine zweite ATP-abhängige Phosphorylierung entsteht Fructose-1,6-diphosphat (Phosphofructokinase, 2. Schlüsselenzym der G., aktiviert durch Fructose-2,6-diphosphat und gehemmt durch Citronensäure bw. Citrat = Rückkopplungsregulation aus dem Tricarbonsäure-Zyklus).
Fructose-1,6-diphosphat wird in die isomeren Triosephosphate Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat gespalten (Fructose-1,6-diphosphat-Aldolase), welche ineinander überführt werden können (Triosephosphat-Isomerase). Dihydroxyacetonphosphat kann auch aus dem Fructose-Stoffwechsel stammen, wodurch der Stoffwechsel von Glucose und Fructose miteinander gekoppelt sind.
In der zweiten Phase der G. laufen die beiden Reaktionen der Substratkettenphosphorylierung ab. Glycerinaldehyd-3-phosphat wird oxidiert und durch Anlagerung eines anorganischen Phosphates in 3-Phosphoglycero(yl)phosphat (1,3-Diphosphoglycerat) umgewandelt (NAD-abhängige Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase = Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase). Dessen energiereiche Bindung wird zur Bildung von ATP aus ADP genutzt (Phosphoglycerat-Kinase). Das dabei entstandene 3-Phosphoglycerat wird in 2-Phosphoglycerat umgelagert (Phosphoglyceratmutase, Cosubstrat ist 2,3-Diphosphoglycerat). Durch eine Dehydratation sowie eine Umverteilung der Energie entsteht Phosphoenolpyruvat (Enolase). Dessen Energie wird auf ADP übertragen, wobei Pyruvat gebildet wird (Pyruvat-Kinase).
Unter aeroben Bedingungen wird Pyruvat in das Mitochondrium transportiert und dort mit Hilfe des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes zu Acetyl-CoA umgesetzt. Über diese Einschleusung in den Tricarbonsäure-Zyklus und die sich anschließende Atmungskette wird das bei der G. entstandene Pyruvat weiterhin zur Energiegewinnung genutzt. Die Energiebilanz ist damit wesentlich höher (38 Mol ATP / Mol Glucose) als allein durch die G. (2 Mol ATP / Mol Glucose). Pyruvat, das nicht oxidativ verwertet werden kann, wird unter Katalyse der NADH-abhängigen Lactat-Dehydrogenase zu Lactat reduziert und ins Blut abgegeben (Cori-Zyklus, Gluconeogenese).
Die G. kommt in allen Zellen vor und dient der Gewinnung von Energie in Form von ATP. Vielen Zellen und Geweben, die mäßig mit Sauerstoff versorgt und daher fast anaerob sind (z. B. in der Dünndarmschleimhaut), den Erythrocyten (ohne Mitochondrien und Atmungskette) und Geweben, die zeitweise unter anaeroben Bedingungen viel Energie benötigen (Skelettmuskulatur), dient die G. zur Energieversorgung (Abb. 2).
Analog zur G. verläuft die Vergärung von Kohlenhydraten bis zu Pyruvat, aus welchem als Endprodukt folgende Substanzen entstehen: Ethanol, Lactat, Propionat, Formiat, Butyrat (Buttersäure), Succinat u. a. Die formale Umkehrung vieler Reaktionsschritte der G. zur Synthese von Glucose ist im Rahmen der Gluconeogenese möglich, wobei nicht umkehrbare Schlüsselreaktionen durch gluconeogentische Schlüsselenzyme katalysiert werden.
Die Regulation der G. erfolgt über die Schlüsselenzyme Gluco(Hexo)-Kinase, Phosphofructokinase und Pyruvat-Kinase sowie deren Cosubstrate. Ein erhöhter NADH + H+ / NAD+-Quotient im Rahmen des Alkoholstoffwechsels hemmt die G. beispielsweise ebenso (NAD+ steht nicht als Wasserstoffakzeptor zur Verfügung) wie Citrat als Intermediat des Tricarbonsäure-Zyklus.


Glycolyse: Abb. 1. Die Reaktionsfolge der Glycolyse von der Glucose bis zum Pyruvat. Hervorgehoben sind die Enzyme, über deren Aktivität die Rate der Glycolyse reguliert wird (Schlüsselenzyme). [Verändert n. G. Rehner u. H. Daniel, Biochemie der Ernährung, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 1999] Glycolyse

Glycolyse: Abb. 2. Reaktionen, die für die Energiebilanz der Glycolyse wichtig sind. [Quelle s. Abb. 1] Glycolyse

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