Input über Biochemie - Die Glykolyse
Viel Spaß beim Weiterbilden.
LG Renate
Biochemie und Pathobiochemie: Glycolyse
Allgemeines
Die Glycolyse (Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, E.M.P.) wurde 1929 von
Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jakub Parnas aufgeklärt. Der
Stoffwechselweg ist der wichtigste Weg des Glucoseabbaus. Glucose wird
darin unter Energiegewinn in zwei kleinere Bruchstücke zerlegt. Die
Glycolyse nimmt im Stoffwechsel durch die Verknüpfung mit vielen anderen
anabolen und katabolen Wegen eine zentrale Stellung ein.
Teil 1: Spaltung von Glucose in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat
Im ersten Teil wird ein C
6-Körper in zwei einander ähnliche C
3-Körper gespalten. Dafür muss das Kohlenhydrat zuerst mit 2 Phosphat-Resten präpariert werden, wofür 2 ATP investiert werden.
Teil 2: Abbau von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu Pyruvat
Im 2. Teil der Glycolyse werden insgesamt 4 ATP (aus 2 Glycerinaldehyd-3-phosphat) zurückgewonnen.
Die Glycolyse
Die Glycolyse ist die wichtigste Stoffwechselreaktionskette überhaupt. Sie findet im
Zytosol statt und spaltet ein Glucosemolekül (C
6) in zwei Pyruvat (C
3) mit einem Nettogewinn von 2 ATP und 2 NADH/H
+.
Hefepilze und manche Bakterien setzen Pyruvat auch zu Ethanol um
(alkoholische Gärung: Decarboxylierung von Pyruvat durch die
Pyruvatdecarboxylase
(EC 4.1.1.1) zu Acetaldehyd, dann NADH/H
+-abhängige Reduktion zum Alkohol durch die
Alkoholdehydrogenase).
Der ebenfalls anaerobe Abbau zum Lactat durch die Lactatdehydrogenase
entspricht der bakteriellen Milchsäuregärung z.B. durch
Milchsäurebakterien. Anaerob bezieht sich hier auf die Tatsache, dass
die Endprodukte Lactat oder Alkohol nicht weiter unter
Sauerstoff-Verbrauch abgebaut werden, d.h. über
Citratzyklus und
Atmungskette.
Beim anaeroben Abbau bis zum Alkohol oder Lactat wird der vorher (in
der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase-Reaktion) entzogene
Wasserstoff, der als reduzierendes NADH/H
+ zwischengespeichert wurde, wieder auf die Endprodukte übertragen. So wird NAD
+
regeneriert und das wichtige Redoxgleichgewicht neutral gehalten. Würde
die Glycolyse unter anaeroben Bedingungen (bei anaeroben Bakterien oder
beim Sauerstoffdefizit im Muskel) auf Pyruvat enden, so würde die
Glycolyse wegen NAD
+-Mangel sehr schnell zum Stillstand kommen.
Beim in der menschlichen Zelle üblicheren Abbau bis zum Pyruvat (der
ebenfalls keinen Sauerstoff benötigt) entstehen zusätzlich zu den 2 ATP
noch 2 NADH/H
+. Diese können für Reduktionen
(Elektronenübertragungen) verwendet werden oder wie die anderen
Reduktionsäquivalente z.B. aus dem
Citratzyklus zur
ATP-Bildung in der Atmungskette
genutzt werden. Letzteres setzt jedoch ein ausreichendes
Sauerstoffangebot voraus, da die Elektronen (bzw. der Wasserstoff, der
sich aus je einem Elektron und einem Proton zusammensetzt) am Ende der
Atmungskette auf Sauerstoff übertragen werden müssen.
Die Reaktionen im Detail
Die Glycolyse lässt sich in zwei Teile gliedern. Im ersten Teil wird
Glucose in zwei ähnliche Moleküle gespalten und es müssen pro
Glucosemolekül 2 ATP investiert werden. Ähnlichkeit ist deswegen
sinnvoll, damit der weitere Abbau gemeinsam stattfinden kann und nicht
zwei separate Abbauwege unterhalten werden müssen. Im zweiten Teil
werden 4 ATP (und 2 NADH/H
+) zurückgewonnen.
Im Einzelnen laufen folgende Reaktionen ab:
- Die intrazelluläre Glucosekonzentration steht mit der
extrazellulären im Diffusionsgleichgewicht. Damit die Zelle Glucose im
Zytosol anreichern kann wandelt sie es mit Hilfe einer Hexokinase unter
ATP-Verbrauch in Glucose-6-phosphat (G6P) um. So kann neue Glucose
nachströmen. G6P kann die Zelle auch nicht mehr verlassen, da kein
Transportmechanismus für G6P vorhanden ist. So werden mit der
Hexokinase-Reaktion zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen.
- G6P kann nun in verschiedene Stoffwechselwege fließen, z.B. in die Glycogen-Synthese (Leber, Muskel) oder in den HMP-Weg.
Soll G6P jedoch abgebaut werden, dann muss nun die Spaltung in zwei
ähnliche Teile vorbereitet werden. G6P wird daher von der G6P-Isomerase
zu Fructose-6-phosphat (F6P) isomerisiert und noch einmal von der
Phosphofructokinase 1 ATP-abhängig phosphoryliert.
Fructose-1-6-bisphosphat (F-1,6-BP) ist entstanden.
- F-1,6-BP wird nun von der F-1,6-BP-Aldolase in
Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP)
gespalten. Bei den zwei C3-Körpern handelt es sich um
Konstitutionsisomere. Sie können von der Triosephosphat-Isomerase leicht
ineinander überführt werden und damit gemeinsam weiterverstoffwechselt
werden. Der erste Teil der Glycolyse ist damit abgeschlossen und es
folgt die Pay-off-Phase, beginnend mit (zwei) GAP.
- Die Oxidation der Aldehydgruppe des GAP zur Carboxylgruppe mit Hilfe
der GAP-Dehydrogenase liefert 1,3-Bisphosphoglycerat (BPG). Diese
Reaktion ist ausgesprochen exergon und das wird voll genutzt. Erstens
wird dabei ein Reduktionsäquivalent (NADH/H+) gewonnen,
zweitens ist noch genug Energie übrig, um auch noch ein anorganisches
Phosphat an die neu enstandene Carboxyl-Gruppe zu heften. Letzteres
macht sich in der nächsten Reaktion bezahlt.
- Die Phosphoglycerat-Kinase überträgt die Phosphatgruppe vom BPG nun
auf ADP, so dass ein ATP gewonnen wird. Dies nennt man
Substratkettenphosphorylierung. 3-Phosphoglycerat (3PG) ist das
Endprodukt.
- Nun ist noch eine zweite Phosphatgruppe vorhanden, die
gewinnbringend eingesetzt werden kann. Dafür wird 3PG zu 2PG
isomerisiert (Phosphoglycerat-Mutase) und Wasser abgespalten (Enolase).
Dabei kommt Phosphoenolpyruvat (PEP) heraus. PEP kann aufgrund seines
hohen Gruppenübertragungspotentials als nächstes in einer zweiten
Substratkettenphosphorylierung sein Phosphat auf ADP übertragen und ein
weiteres ATP erzeugen. Übrig bleibt Pyruvat, das verschiedentlich weiterverstoffwechselt werden kann oder das bei Sauerstoffdefizit zum Lactat reduziert wird.
Energiebilanz
Es werden 2 ATP investiert und über die Substratkettenphosphorylierung 4 zurückgewonnen. D.h. der
anaerobe Glucoseabbau bis zum Pyruvat liefert
2 ATP. Beim Abbau bis zum Lactat bleiben zusätzlich noch 2 NADH/H
+ übrig, die bei der
vollständigen Oxidation über
Citrazyklus und
Atmungskette ca.
32 ATP
liefern, also 16 mal mehr als der anaerobe Abbau der Glucose. Dafür
setzt der aerobe Abbau aber auch ein ausreichendes Sauerstoffangebot und
die entsprechenden Enzyme voraus, sowie beim Eukaryonten das
Vorhandensein von Mitochondrien.
Regulation
Die Transkription der Schlüssel- oder Schrittmacherenzyme wird durch Glucose und Insulin gefördert und durch cAMP gehemmt.
Der erste und durch Insulin geförderte Schritt, die Umwandlung von
Glucose in Glucose-6-phosphat durch das 1. Schlüsselenzym, die
Hexokinase
dient der Fixierung von Glucose in der Zelle, nachdem es aus dem Blut
aufgenommen wurde. Glucose-6-phosphat kann die Zelle nicht mehr
verlassen. Dadurch, dass Glucose aus dem Diffusionsgleichgewicht
entfernt wird, kann vermehrt neue Glucose nachströmen. Unterstützt wird
dieser Prozess durch die Translokation des Glucosetransporters
GLUT4
in die Plasmamembran, die ebenfalls von Insulin gefördert wird.
Glucose-6-phosphat steht dann intrazellulär für zahlreiche
Stoffwechselwege zu Verfügung. Darunter die Glycolyse, der
Hexosemonophosphatweg, der
Inositolphosphat-Stoffwechsel und nach Umwandlung in UDP-Glucose können die C6-Körper in die
Glycogensynthese, die
Biosynthese der Uronsäuren und den
Galactose-Stoffwechsel fließen.
Das 2. Schlüsselenzym, die
6-Phosphofruktokinase katalysiert
die Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat, welches im nächsten Schritt
gespalten wird. Damit ist die Phosphofruktokinase für die Einleitung des
endgültigen Glucoseabbaus verantwortlich und das wichtigste Stellglied
der Glycolyse. Reguliert wird das Enzym durch den wichtigsten
allosterischen Regulator, das
D-Fructose-2,6-bisphosphat.
Fructose-2,6-bisphosphat schaltet die Phosphofruktokinase und damit die
Glycolyse an und gleichzeitig die Fructose-1,6-Bisphosphatase, das
komplementäre Enzym der
Gluconeogenese ab.
Das 3. Schlüsselenzym ist die
Pyruvatkinase. Dieses Enzym
katalysiert den letzten Schritt der Glycolyse und sorgt insbesondere für
den Nettogewinn von 2 ATP pro Glucosemolekül. Gehemmt wird das Enzym
allosterisch von Alanin und ATP. Diese Moleküle signalisieren dem Enzym
ein ausreichendes Energieangebot.
Bedeutung der anaeroben Glycolyse
| Cori- und Glucose-Alanin-Zyklus |
| Muskel |
Blut |
Leber |
| Glucose |
⇐ |
Glucose |
| ⇓ Glycolyse |
|
Gluconeogenese ⇑ |
Pyruvat ⇒ Lactat
⇓
Alanin
|
⇒
⇒
|
Lactat ⇒ Pyruvat
⇑
Alanin
|
|
| Farbcode: Stickstoffaufnahme/-transport/-abgabe |
Der anaerobe Abbau von Glucose ist die einzige Möglichkeit, wie
Zellen und Gewebe auch unter Sauerstoffmangel Energie erzeugen können,
wenn auch vergleichsweise ineffizient (2 ATP gegenüber maximal 32 ATP
bei vollständiger Oxidation der Glucose über Citratzyklus und
Atmungskette). Das entstehende Lactat wird in die Umgebung resp. das
Blut abgegeben. Netto kann der Gesamtorganismus anaerob keine Energie
gewinnen, da das Lactat in der Leber wieder unter hohem Aufwand (6 ATP)
zur Glucose aufgebaut werden muss. Anders als bei Bakterien, die Lactat
in die Umgebung abgeben, akkumuliert das Produkt rasch im Körper und
muss daher wegen seiner Azidogenität (pKs = 3,86) beseitigt werden,
zweitens muss die Glucose regeneriert werden, da die Vorräte sonst rasch
erschöpft sind.
Der anaerobe Glucoseabbau zur Energiegewinnung spielt für den
Skelettmuskel
unter erhöhter Belastung eine große Rolle, wenn der Sauerstoff nicht
zur Leistungserbringung über die Atmungskette ausreicht. Das entstehende
Lactat wird über den Blutweg zur Leber transportiert, dort wieder zur
Glucose aufgebaut und dann zum Muskel zurücktransportiert (
Cori-Zyklus).
Der Abbau bis zum Lactat hat den Vorteil, dass die NADH-Bilanz neutral
bleibt und damit auch das Redoxgleichgewicht in der Muskel- und
Leberzelle.
Die zweite Möglichkeit besteht darin,
Pyruvat durch Stickstoffübertragung in Alanin umzuwandeln
(Transaminierung durch GOT bzw. AL(A)T und Pyridoxalphosphat), dieses
zur Leber zu transportieren, dort wieder zu Pyruvat zu deaminieren (das
frei werdende Ammoniak kann in der Leber
zu Harnstoff entgiftet und über die Niere ausgeschieden werden) und wieder Glucose zu bilden. Der letztgenannte Weg, der
Glucose-Alanin-Zyklus,
ist wichtig, da hiermit auch der Stickstoff (-> giftiges Ammoniak)
aus dem Muskel zur Leber geschafft wird, der durch die gesteigerte
Proteolyse (Deaminierung glucogener Aminosäuren) vermehrt freigesetzt
wird.
Erythrozyten nutzen den anaeroben Abbau von Glucose, da sie keine Mitochondrien haben. Bei
lokalem Sauerstoffmangel greifen alle betroffenen Zellen auf dieses „Notstromaggregat“ zurück, um zu überleben.
Verbindungen zu anderen Stoffwechselwegen
Siehe dazu die
Stoffwechsel-Übersicht.
Glucose wird in die Zelle aufgenommen und (wenn es nicht für die
Fructose-Bildung
(v.a. in den Samenblasen) genutzt wird) in Glucose-6-phosphat
umgewandelt, so dass es die Zelle nicht mehr verlassen kann.
Glucose-6-phosphat kann dann in der Glycolyse zu Pyruvat abgebaut werden
oder je nach Organ und Bedarf für die Bildung von
Glycogen (Leber, Skelettmuskel),
Galactose (u.a. Milchdrüse),
Glucuronsäure (v.a. Leber) oder
Inositolphosphate verwendet werden sowie in den
Pentosephosphatweg fließen. Umgekehrt ist Glucose-6-phosphat das Endprodukt des Abbaus von
Glycogen (Leber, Muskel) und Galactose.
Die nächste Station ist Fructose-6-phosphat. Hier mündet bereits
wieder ein Teil des Substrats des Pentosephosphat-Shunts ein (bzw.
fließt dorthin ab). F6P stellt weiterhin die Verbindung zum
Mannose- und Fucose-Stoffwechsel sowie zum
Aminozucker-Stoffwechsel her.
Die isomeren Spaltprodukte von Fructose-1,6-Bisphosphat -
Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat - liefern das
Glycerin für die
Biosynthese der Neutralfette und
Phosphoglyceride. Umgekehrt kann das Glycerin aus der
Lipolyse hier in die Glycolyse/Gluconeogenese einmünden. Der
Abbau von Fructose
liefert ebenfalls DHAP und Glycerin und das 2. Endprodukt (bzw. Edukt
für die Gegenrichtung) des Pentosephosphatwegs ist
Glycerinaldehyd-3-phosphat. Die Verbindungen sind
hier nocheinmal dargestellt.
3-Phosphoglycerat ist der Startpunkt der
Serin- und Glycin-Biosynthese.
Phosphoenolpyruvat (PEP) wird für die Synthese von
N-Acetylneuraminsäure (NANA) benötigt.
Pyruvat kann durch Transaminierung in
Alanin umgewandelt werden und durch Reduktion in Lactat sowie vice versa. Pyruvat ist weiterhin der Ausgangpunkt der
Gluconeogenese und die mögliche Endstrecke des Abbaus von
Cholin und einigen glucogenen Aminosäuren wie dem genannten Alanin,
Tryptophan (über Alanin),
Threonin, Serin, Glycin und
Cystein (über Serin). Pyruvat kann weiterhin aus dem
Citratzyklus bezogen werden (
Decarboxylierung von Malat) und zu guter letzt zur Energiegewinnung oder zur Biosynthese von Fettsäuren oder Cholesterin durch
dehydrierende Decarboxylierung zu Acetyl-CoA umgesetzt werden.
Transport der Reduktionsäquivalente ins Mitochondrium zur Atmungskette
NADH (+ H
+) kann die die innere Mitochondrienmembran nicht
durchdringen. Die in der Glycolyse erzeugten Reduktionsäquivalente
müssen jedoch irgendwie vom Zytosol ins Mitochondrium zur
Atmungskette gelangen. Zur Lösung dieses Problems gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Das Malat-Aspartat-Shuttle
Das Malat-Aspartat-Shuttle.
Eine geschickte Lösung bietet die Übertragung der Elektronen auf ein Transportmolekül, in diesem Falle auf
Oxalacetat,
das dadurch zum Malat reduziert wird (1.). Malat wird nun in die Matrix
geschafft, wo die Malat-Dehydrogenase die entsprechende Rückreaktion
katalysiert, so dass die Elektronen wieder auf NAD
+ übertragen werden (2.).
Nun wird der Rückweg ins Zytosol dadurch verkompliziert, dass
Oxalacetat die innere Mitochondrienmembran ebenfalls nicht permeieren
kann. Deswegen muss Oxalacetat in eine Form gebracht werden, für die ein
Membrantransporter vorhanden ist. Oxalacetat wird also von der
Aspartat-Transaminase (AST, GOT) PALP-abhängig zu Aspartat transaminiert
(3). Die Aminogruppe stammt dabei von Glutamat, das durch die
Transaminierung zum α-Ketoglutarat wird. Aspartat und α-Ketoglutarat
gelangen nun über die entsprechenden Membrantransporter zurück ins
Zytosol, die Aspartat-Transaminase sorgt noch einmal für die
Rückreaktion (4.) und es entsteht wieder Oxalacetat für den nächsten
Transportzyklus, sowie Glutamat, das wieder in die Matrix transportiert
wird und dort für die nächste Transaminierung bereitsteht.
Das Zusammenspiel aus Umwandlungs- und Transportprozessen ergibt eine
pfiffige Choreographie, die in der Abbildung rechts noch einmal
schematisch dargestellt ist.
Die beteiligten Reaktionspartner Oxalacetat, Malat und α-Ketoglutarat sind (unter anderem) Intermediate des
Citratzyklus.
Das Glycerin-3-Phosphat-Shuttle
Eine Alternative stellt das Glycerin-3-phosphat-Shuttle dar. Das Glycolyse-Intermediat
DHAP wird dabei zu
Glycerin-3-phosphat reduziert (1.) und überträgt sie an der inneren Mitochondrienmembran auf FAD (2.). FADH
2
gibt die Elektronen an Ubichinon (Q) weiter. Das
Glycerin-3-phosphat-Shuttle ist etwas schneller als das
Malat-Aspartat-Shuttle, hat jedoch durch die Umgehung der
NADH-Dehydrogenase (Komplex I der Atmungskette) eine etwas geringere
Energieausbeute. Man findet dieses Shuttle z.B. im Gehirn und im
Skelettmuskel.
In einem Nebenweg der Glycolyse entsteht 2,3-Bisphosphoglycerat
| ⇓ |
Subst. |
( ⇑ ) |
Co. |
Enzym |
EC |
EG |
Erkr. |
|
 |
1,3-Bisphosphoglycerat |
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
|
|
Bisphosphoglycerat-Mutase |
|
5.4.2.4 |
Iso |
BPGM-Def. |
|
|
|
|
|
|
|
H2O
Pi
|
 |
|
|
|
Bisphosphoglycerat-Phosphatase |
|
3.1.3.13 |
Hyd |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,3-Bisphosphoglycerat und 3-Phosphoglycerat sind Intermediate der
Glycolyse, wobei das letzteres aus ersterem unter ATP-Gewinn und
katalysiert von der Phosphoglycerat-Kinase gebildet wird (s.o.).
1,3-Bisphosphoglycerat kann jedoch auch von der
Bisphosphoglycerat-Mutase zu 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG)
isomerisiert werden. Dies spielt insbesondere in Erythrozyten eine
wichtige Rolle. Dort verschiebt 2,3-BPG die
Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins durch Stabilisierung des Desoxyhämoglobins nach rechts und erleichtert so die Sauerstoffabgabe im Gewebe.
Durch die Bisphosphoglycerat-Phosphatase-Reaktion kann 2,3-BPG es zu
3-Phosphoglycerat dephosphoryliert und damit wieder der Glycolyse
zugeführt werden. Die Reaktionen laufen auch unter der Bezeichnung
Rapoport-Luebering-Zyklus.
Im Gegensatz zur Phosphoglycerat-Kinase-Reaktion kann hierbei kein ATP gewonnen werden.
Pathobiochemie
Enzymdefekte der Glycolyse (bzw. Gluconeogenese) äußern sich häufig
in hämolytischen Anämien, Myopathien und Neurodegeneration. Dies hat
damit zu tun, dass Erythrozyten (keine Mitochondrien!) und Nervenzellen
ihren Energiebedarf fast ausschließlich über Glucose decken, ebenso wie
der Skelettmuskel unter anaeroben Bedingungen.
Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin
Die Umschaltung des Skelettmuskels auf den anaeroben Glucoseabbau zur
Energiegewinnung unter Belastung, die sog. „anaerobe Schwelle“, ist als
Lactat-Anstieg im Blut messbar. Für den Sport wird allgemein aerobes
Training empfohlen. Ein erhöhtes
Lactat ist auch bei schweren
Allgemeinerkrankungen und ischämischen Zuständen feststellbar, wenn die
Sauerstoffversorgung des Organismus oder einzelner Gewebe insuffizient
wird, z.B. im Schock oder bei einer Darmischämie. Die sog. metabolische
Laktatazidose geht mit einer lebensbedrohlichen Übersäuerung des Körpers
einher und kann verschiedenste Ursachen haben, z.B. eine Vergiftung.
Die Serum-Konzentration der
Lactat-Dehydrogenase (LDH) steigt
bei einem erhöhten Zellzerfall und kann daher als Parameter für z.B.
Gewebsschädigungen oder Tumorerkrankungen (hoher Zellumsatz) dienen.
Eine unsachgemäße Blutentnahme (Hämolyse) kann dergleichen vortäuschen.
Neben der LDH können auch erhöhte Harnsäure- (Endprodukt des
Purin-Stoffwechsels (DNA, RNA))
und Kalium-Spiegel (normalerweise vorwiegend intrazellulär) auf
Zelluntergänge hindeuten, wenn sie nicht durch andere Störungen
(Niereninsuffizienz, Gicht, Medikamente) bedingt sind.
Weblinks
| Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate |
Hintergrundfarbe Reaktionspfeile |
„Schlüsselenzyme“ |
|
| Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente |
CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff |
Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der
Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.:
Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation,
Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation,
EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase,
Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.
2.
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