Schritt 1 - Phosphorylierung der Glucose ^{LK, Studium}

Bei diesem ersten Schritt der Glycolyse handelt es sich um eine typische Phosphorylierung: Das Enzym Hexokinase überträgt eine Phosphatgruppe vom ATP auf das Glucose-Molekül.

Der Schritt 1 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Glucose-Molekül wird dadurch um 16,77 kJ/mol energiereicher, als es ohnehin schon ist; die Reaktion ist also endotherm. Außerdem liegt das chemische Gleichgewicht dieser Reaktion fast ganz auf der Seite des Glucose-6-phosphats, so dass der Reaktionsschritt praktisch irreversibel ist.

Warum ist dieser Schritt notwendig?

Ein Glucose-Molekül ist recht stabil, es kann nicht ohne weiteres in zwei Bruchstücke gespalten werden. Das Molekül muss erst "aktiviert" werden. Dies geschieht, in dem es mit zwei energiereichen Phosphatgruppen "aufgeladen wird". Durch den Schritt 1 wird die erste dieser beiden Phosphatgruppen aufgenommen, die Glucose ist damit quasi "halbaktiv".

Was gibt es sonst noch Wissenswertes zu diesem Schritt?

Glucose ist ein wichtiger Nährstoff für die Zelle; die Versorgung der Zelle mit Glucose ist extrem wichtig. Durch die ständige Umwandlung der Glucose in das Glucose-6-phosphat wird die Glucose-Konzentration in der Zelle auf einem niedrigen Niveau gehalten. Außerhalb der Zelle ist die Glucose-Konzentration höher als im Zellplasma, daher kann Glucose passiv mit dem Konzentrationsgefälle in die Zelle diffundieren. Umgekehrt kann das Produkt Glucose-6-phosphat nicht aus der Zelle heraus diffundieren. Die negative Ladung der Phosphatgruppe verhindert die Passage durch die Lipid-Doppelschicht, und einen Transporter für Glucose-6-Phosphat gibt es in der Zellmembran nicht.

Wodurch wird dieser Schritt reguliert?

Das Reaktionsprodukt dieses Schrittes, das Glucose-6-phosphat, kann die Hexokinase allosterisch, eventuell auch kompetitiv hemmen ^[2]. Das ist ja auch sinnvoll, es handelt sich um eine typische Endprodukt-Hemmung. Wenn genug Endprodukt da ist, wieso soll dann weiteres Endprodukt hergestellt werden?

Mg²⁺-Ionen aktivieren dagegen den ersten Schritt der Glycolyse (siehe Expertenwissen).

Expertenwissen:
Weitere Einzelheiten zum ersten Schritt der Glycolyse

Die Hexokinase benötigt Mg²⁺-Ionen, um die vier negativen Ladungen des ATP-Moleküls (ATP^4-) abzuschirmen. Es bildet sich dann der Mg-ADP^2--Komplex. So kann die OH-Gruppe am C-Atom 6 der Glucose das endständige Phosphor-Atom des Mg-ADP^2--Komplexes leichter nucleophil angreifen (S_N2-Mechanismus). Die exakte Position des Mg²⁺ in dem Mg-ADP^2--Komplex ist noch nicht bekannt ^[2].

Nucleophiler Angriff der Glucose auf das ATP-Molekül
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die Hexokinase ist ein induced-fit-Enzym. Es verändert also die Struktur des aktiven Zentrums, wenn sich ein Substrat bindet. Genauer gesagt, nähern sich zwei Domänen des Enzyms durch Drehung um 12 Grad um 0,8 nm an, wenn das ATP gebunden ist ^[3]. Dadurch wird das ATP der Glucose näher gebracht. Außerdem wird die Glucose bis auf die OH-Gruppe am C6-Atom vollständig umhüllt, so wird verhindert, dass Wasser-Moleküle mit der OH-Gruppe der Glucose um das endständige Phosphor-Atom des ATPs konkurrieren.