Schritt 3 - Phosphorylierung 2 ^{LK, Studium}

Der Schritt 3 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Reaktion

Im 3. Schritt wird das Fructose-6-phosphat durch Anhängen einer weiteren Phosphatgruppe noch weiter aktiviert; die innere Energie des Moleküls steigt wieder um ca. 16 kJ/mol. Es bildet sich Fructose-1,6-bisphosphat. Der Reaktionsschritt ist genau wie der erste irreversibel, da das chemische Gleichgewicht weit auf der rechten Seite liegt.

Das katalysierende Enzym dieses 3. Schritts heißt Phosphofructokinase (PFK-1). Dieses Enzym ist ein Schlüsselenzym der Glycolyse. Es steht im Mittelpunkt mehrerer Stoffwechselwege. Sobald das Fructose-6-phosphat durch PFK-1 zu Fructose-1,6-bisphosphat umgebaut wurde, kann nur noch der Weg der Glycolyse eingeschlagen werden:

"Glucose-6-phosphate can flow either into glycolysis or through any of several other pathways, including glycogen synthesis and the pentose phosphate pathway. The metabolic irreversible reaction catalysed by PFK-1 is the step that commits glucose to glycolysis" ^[2].

Allosterische Regulation

Weil PFK-1 eine so zentrale Stellung im Stoffwechselgeschehen hat, kann es durch viele verschiedene Verbindungen allosterisch reguliert werden.

Aktivierung durch

• Fructose-6-phosphat (formal also eine Substratinduktion)
• Fructose-2,6-bisphosphat (ganz wichtig, siehe weiter unten)
• Ribulose-5-phosphat
• ADP und AMP

Hemmung durch

• H⁺ (niedriger pH-Wert)
• PEP (Phosphoenolpyruvat, das Endprodukt der Glycolyse, formal also eine Endprodukthemmung)
• Citrat
• ATP (Endprodukt der aeroben Dissimilation, also ebenfalls eine Endprodukthemmung)
• Aminosäuren
• Fettsäuren

Durch diese vielen Einflussmöglichkeiten spielt die Phosphofructokinase eine zentrale Rolle bei der Regulation der Glycolyse. Die Umsetzung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat kann als der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glycolyse angesehen werden ^[4].

Warum ist dieser Schritt notwendig?

Nach dem Ablaufen dieses Reaktionsschritte ist die Glucose durch zwei Phosphatgruppen doppelt aktiviert. Daher kann sie jetzt ohne Probleme in zwei isomere C3-Verbindungen gespalten werden, die jeweils eine Phosphatgruppe tragen.

Für Chemie-Experten:

Warum heißt die Verbindung Fructose-1,6-bisphosphat und nicht Fructose-1,6-diphosphat?

Nach den gängigen Nomenklaturregeln müsste die entstandene Verbindung eigentlich Fructose-1,6-diphosphat heißen, weil ja zwei Phosphatgruppen in dem Molekül vorkommen. Ein Hexan mit zwei Brom-Atomen an dem ersten und letzten C-Atom heißt ja auch 1,6-Dibromethan und nicht 1,2-Bisbromethan.

Allerdings ist es so, dass es bereits ein Ion namens Diphosphat gibt, wenn nämlich zwei Phosphatgruppen direkt hintereinander hängen. Beim ADP (Adenosin-diphosphat) ist das beispielsweise der Fall.

Links: Phosphat-Ion, rechts: Diphosphat-Ion.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Links sehen wir ein Phosphat-Ion, rechts ein Diphosphat-Ion. Damit nun keiner denkt, die Fructose wäre mit einem Diphosphat verbunden, hat man hier die "Ersatzschreibeweise" Bisphosphat gewählt.

An sich hätte man das Ion aus zwei Phosphatgruppen erst gar nicht Diphosphat nennen dürfen, sondern man hätte einen anderen, eindeutigen Namen dafür nehmen müssen. In einigen älteren Büchern wird dieses Ion als Pyrophosphat bezeichnet. Das Problem dabei ist aber, dass die zu Grunde liegende Säure als Diphosphorsäure H₄P₂O₇ bezeichnet wird. Dann liegt es natürlich nahe, die Salze dieser Säure als Diphosphate zu bezeichnen, was dann aber wieder diesen Konflikt mit der üblichen Nomenklatur (1,6-Dibrom-hexan) mit sich bringt.