Lehrbuch der Biochemie: Stoffwechsel: Glycolyse

Stoffwechsel und Synthese von Biomolekülen

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Jetzt geht's ans eingemachte. Mit der bei allen Studenten immer beliebten Glycolyse, steigen wir nun so richtig in die Biochemie ein.
Biochemie ... behandelt unter Anderem die Vielzahl an Stoffwechselwegen und -kreisläufen in Organismen. Der Zentrale "Strang" der sich als Basis, des Großteils, der anderen Stoffwechselwege zieht ist die Glycolyse - und die wollen wir jetzt näher unter die Lupe nehmen.

Kurze Geschichte der Aufklärung der Glycolyse

1897 beobachteten die beiden Wissenschaftlern Hans und Eduard Buchner, dass in zellfreien Extrakten aus Hefepilzen Rohrzucker rasch zu Alkohol umgewandelt wird. Daraus schlossen sie, dass die Gärung auch außerhalb lebender Zellen stattfinden kann. Dies ist entgegen der These von Louis Pasteur von 1860, der behauptete, die Gärung sein untrennbar mit Leben verbunden.

Die Aufklärung der Reaktionsfolge gelang 1905 Arthur Harden und William Young. Sie experimentierten mit Hefesaft und Glucoselösung. Die Umsatzrate der Gärung in einer solchen Mischung sinkt ohne Zugabe von anorganischem Phosphat stark ab. Zusätzliches Phosphat verschwindet während der Gärung.

Embden, Meyerhof, Neuberg, Parnas, Warburg, Cori und Cori forschten bis 1940 weiterhin an der vollständigen Aufklärung der Glycolyse.

Die Glycolyse - eine Erfolgsgeschichte

Phototrophe Organismen (wie etwa Cyanobakterien oder Pflanzen) sind in der Lage, anorganischen Kohlenstoff ( $CO_{2}$ ) mit Hilfe von Sonnenlicht in der wohlbekannten Photosynthese zu organischen Molekülen zu reduzieren und dabei wiederum Sauerstoff zu produzieren. (Den aeroben Organismen in der Oxidativen Phosphorylierung, die wir an späterer Stelle besprechen werden, dringend benötigen.) Chemotrophe Organismen, wie z.B.: Mensch & Tier, Pilze, die meisten Bakterien, uvm. können das nicht. Sie sind auf die von den Pflanzen hergestellten organischen Moleküle angewiesen. Wie wir im vorigen Kapitel gelernt haben, können Organismen längerkettige Zucker wie Stärke und Saccharose in ihre Einzelbausteine wie Glucose und Fructose zerlegen. Diese werden dann von den Organismen durch die Glycolyse weiter abgebaut.

  Die Glycolyse baut Zuckermoleküle unter Energiegewinn ab.

Dabei entstehen NADH+H⁺ und ATP.

  Alle Reaktionen der Glycolyse werden durch Enzyme katalysiert und reguliert.

Glycolyse als Stoffwechselweg

Das Prinzip ist einfach. Im Zucker steckt eine Menge Energie. Wie bei vielen anderen chemischen Reaktionen gibt es aber ein Hindernis zu überwinden: Die Aktivierungsenergie. Der Körper macht das, indem er Phosphatgruppen an die Zuckermoleküle anlagert, die somit "überladen" und instabil werden. (Das "kostet" den Körper Energie in Form von ATP.) Dann zerfallen die Moleküle und sie werden weiter abgebaut. Die freiwerdende Energie wird in Form von Reduktionsäquivalenten (NADH) und in Form von ATP, der "Energiewährung" der Organismen, gespeichert.

Die Reaktionen

Aktivierung der Glucose durch Phosphorylierung

Im ersten Schritt der Glycolyse erfolgt eine Aktivierung der Glucose durch das Enzym Hexokinase. Dieses Enzym bindet die Substrate Glucose und ATP und katalysiert eine Reaktion in der eine Phosphorylgruppe vom ATP auf den Hydroxyl-Sauerstoff des 6. Kohlenstoffatoms der Glucose übertragen wird. Als Produkte entstehen dabei Glucose-6-phosphat und ADP.

Die zweifach neagativ geladene Phosphorylgruppe hat in den weiteren Reaktionsschritten zwei entscheidende Bedeutungen:

1. Erleichtert sie die Substratbindung der folgenden Enzyme, da Glucose-6-phosphat auch durch positiv geladene Gruppen im Reaktionszentrum des Enzyms mit höherer Affinität gebunden werden kann als dies bei dem ungeladenen Glucosemolekül der Fall wäre und dadurch auch die sterische Ausrichtung stabilisiert wird.

2. Ist die entstandene Phosphatbindung sehr energiereich und dient damit der chemischen Aktivierung des Moleküls und kann daher in den folgenden Schritten, nachdem die chemische Umgebung etwas umstrukturiert wurde, wieder als Phosphorylgruppendonor für die Bildung eines ATP-Moleküls verwendet werden. Auf diesem Wege wird also die notwendige Aktivierungsenergie im Stoffwechselweg aufgebracht.

Umlagerung - Isomerisierung

Eine Phosphatgruppe reicht jedoch nicht aus um das Zuckermolekül ausreichend für die folgenden Energie-freisetzenden Reaktionen zu aktivieren. Da jedoch keine weitere endständíge OH-Gruppe im Molekül vorkommt findet nun zunächst eine Umlagerungsreaktion statt. Diese Isomerisierungsreaktion wird von dem Enzym Glucose-6-Posphat-Isomerase katalysiert.

Als Substrat dient das zuvor gebildete Glucose-6-phosphat, welches in nun in Fructose-6-phosphat umgewandelt wird. Dieses Molekül enthält eine weitere OH-Gruppe, die an ein Kohlenstoffatom außerhalb des Ringes gebunden ist. Aus einer Aldose wird eine Ketose. Dies ist eine reversible Reaktion.

Zweite Phosphorylierung zur Aktivierung

Die zweite Aktivierung erfolgt analog zur ersten. Diese Reaktion katalsiert das Enzym Phosphofructokinase. Es wird wieder ein ATP verbraucht und als Produkte der Reaktion entstehen Fructose-1,6-bisphosphat und ADP. Die Phosphofructokinase bestimmt entscheidend die Reaktionsgeschwindigkeit der Glycolyse, da die Aktivität dieses Enzym der Glycolyse am stärksten reguliert werden kann.

Die Spaltung

Die Fructose-1,6-bispohosphat-Aldolase katalysiert nun die Spaltungsreaktion: Die Bindung des Substrates im Enzym erfolgt über einen Lysinrest, wodurch eine sogenannte protonierte Schiff'sche base entsteht. Diese fungiert als Elektronenfalle, begünstigt damit die Bildung des Enolat-Anions und so auch die Spaltung.

Isomerisierung

Von den zwei entstandenen Molekülen wird nur eins weiterverarbeitet, nämlich das Glycerinaldehyd-3-phosphat. Die Triosephospatisomerase katalysiert diese Isomerisierungsreaktion. Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt jedoch zugunsten des Dihydroxyacetonphosphats (etwa 96 %). Da das Glycerinaldehyd-3-phosphat aber immer wieder aus dem Reaktionsgleichgewicht entzogen wird, wandelt sich mit Hilfe des Enzyms allmählich sämtliches Dihydroxyacetonphosphat um.

  Das bedeutet, dass netto aus einem Mol Glucose 2 Mol Glycerinaldehyd-3-phosphat entstehen.

Anorganisch wird Organisch

Bei der Phosphorylierung zu Glycerinsäure-1,3-phosphat wird anorganisches Phosphat mit der Reduktionsäquivalente NAD⁺ an das organische Glycerinaldehyd-3-phosphat angelagert.

Wir gewinnen ATP

Glycerinsäure-1,3-phosphat besitzt ein hohes Phosphorylgruppenübertragungspotential, wodurch in der folgenden Reaktion ATP erzeugt werden kann. Die Phosphorylgruppe an der Carbonylgruppe wird auf ein ADP-Molekül übertragen. Da aus einem Mol Glucose 2 Mol Glycerinsäure-1,3-phosphat wurden, gewinnen wir auch 2 Mol ATP pro Mol eingesetzter Glucose in diesem Schritt. Das Enzym, welches diese Reaktion katalysiert, ist die Phosphoglyceratkinase

Bildung von Pyruvat

Das Endprodukt der Glycolyse wird über drei Schritte aus dem Glycerinsäure-3-phosphat erhalten:

Intramolekulare Umlagerung
Dehydratisierung (Wasserabspaltung)
Dephosphorylierung (Phosphorylgruppenübertragung).

Bei der intramolekularen Umlagerung wird die Phosphorylgruppe vom 3. auf das 2. Kohlenstoffatom der Glycerinsäure übertragen. Diese Reaktion wird von der Phosphoglycerat-Mutase katalysiert. Es entsteht Glycerinsäure-2-phosphat. Durch die Abspaltung von Wasser im 2. Schritt entsteht ein Enol, das Phosphoenolpyruvat. Die Phosphoglyceratenolase begünstigt diese Reaktion, wodurch das Übertragungspotential der verbleibenden Phosphorylgruppe gesteigert wurde. Durch die Pyruvat-Kinase wird schließlich das Phosphoenolpyruvat in Pyruvat umgewandelt. Dabei entsteht erneut 2 Mol ATP pro eingesetztem Mol Glucose.

Beteiligte Enzyme

1. Hexokinase

2. Glucose-6-phosphat-Isomerase

3. Phosphofructokinase

4. Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase

5. Triosephosphatisomerase

6. Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase

7. Phosphoglycerat-Kinase

8. Phosphoglycerat-Mutase

9. Phosphoglycerat-Enolase

10. Pyruvatkinase

Bilanz

Im ersten und dritten Schritt setzen wir insgesamt 2 Mol ATP pro Mol Glucose ein. Durch die Reaktionen der Phosphoglycerat- und der Pyruvatkinase erhalten wir im Gesamten 4 Mol ATP pro eingesetztem Mol Glucose. Demnach können wir durch die Umwandlung von einem Mol Glucose zu 2 Mol Pyruvat 2 Mol ATP gewinnen.