Schritt 5 - dritte Aktivierung und Oxidation ^{LK, Studium}

Nach der Vorbereitungsphase der Glycolyse, die dazu diente, die Glucose zu aktivieren und dann in zwei C3-Körper zu spalten, folgt nun die Energiegewinnungsphase der Glycolyse.

In dem ersten Schritt dieser Energiegewinnungsphase bzw. dem 5. Schritt der gesamten Glycolyse wird das Glycerinaldehyd-3-Phosphat durch die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) oxidiert. Als Oxidationsmittel dient ein Molekül des Coenzyms NAD⁺ sowie ein anorganisches Phosphat-Ion. Die Endprodukte dieses 5. Schrittes sind ein Molekül 1,3-Bisphosphoglycerat sowie ein reduziertes NADH-Molekül:

Der Schritt 5 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine typische Oxidation, einmal durch Entzug von Wasserstoff (dafür ist das NAD⁺ verantwortlich), einmal durch die Aufnahme von Sauerstoff am C1-Atom des Glycerinaldehyd-3-phosphats (dafür ist das anorganische Phosphat verantwortlich). Die Abgabe des H-Atoms und die Aufnahme eines zweiten Phosphat-Restes am C1-Atom sind nicht nur eine Oxidation um zwei Stufen (von +I nach +III), sondern führen auch zu einer Aktivierung des Moleküls. Der Energiegehalt steigt durch diesen Schritt nochmals an, und zwar um 6,3 kJ/mol.

Schritt 5.1

Eine Cystein-Seitenkette des Enzyms Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase bindet zunächst die Aldehydgruppe des Substrats Glycerinaldehyd-3-Phosphat, das C-Atom der Aldehydgruppe verbindet sich kovalent mit dem S-Atom des Cystein-Restes. Gleichzeitig wird in einem zweiten aktiven Zentrum das NAD⁺ gebunden:

Die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase bindet gleichzeitig das Glycerinaldehyd-3-phosphat und ein NAD⁺-Molekül. Nach Lehninger 2021.
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die Abbildung zeigt den Enzym-Substrat-Komplex nach der kovalenten Bindung des Glycerinaldehyd-3-Phosphats. Die C=O-Doppelbindung der Aldehydgruppe hat sich aufgelöst, es liegt nur noch eine C-O-Einfachbindung vor, und das O-Atom ist negativ geladen. Das H-Atom der Aldehydgruppe ist kurz davor, an das NAD⁺-Ion abgegeben zu werden.

Schritt 5.2

Das in Abbildung 1 rot markierte H-Atom sowie ein Elektron aus der ehemaligen C=O-Doppelbindung werden dann auf das NAD⁺ übertragen, wobei NADH entsteht. Zwischen dem C-Atom und dem N-Atom der Aldehydgruppe bildet sich eine neue Doppelbindung, weil ja jetzt das H-Atom nicht mehr vorhanden ist:

Das C-Atom 1 ist oxidiert, NADH verlässt das Enzym
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Schritt 5.3

Im Cytoplasma befinden sich jederzeit viele Phosphorsäure-Moleküle bzw. verschiedene Phosphat- und Hydrogenphosphat-Ionen, je nach pH-Wert. Ein Hydrogenphosphat-Ion reagiert nun mit der Carbonylgruppe. Es handelt sich um einen typischen Rückseiten-Angriff, wie man ihn aus der organischen Chemie kennt. Das C-Atom der Carbonylgruppe ist stark positiv polarisiert, die Hydrogenphosphatgruppe trägt zwei negative Ladungen.

Das Produkt dieses Schritts verlässt das Enzym
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Auf dem Bild kann man sehen, wie das Glycerinaldehyd-Phosphat am 1. C-Atom oxidiert wurde. Statt der Aldehydgruppe befindet sich jetzt eine Carboxygruppe in dem Molekül, die allerdings mit einer Phosphatgruppe verestert ist. Außerdem hat sich bereits ein neues NAD⁺-Ion in das kleinere aktive Zentrum des Enzyms gesetzt und wartet auf die nächste Katalyse-Runde.

Im  Grunde hat das Enzym also drei Substrate, die es in seinem aktiven Zentrum verarbeiten muss: Das Glycerinaldehyd-3-phosphat als Hauptsubstrat, das Coenzym NAD⁺ sowie das Phosphat-Ion (je nach pH-Wert auch das Hydrogenphosphat- oder sogar Dihdrogenphosphat-Ion).

Das Endprodukt dieses Teilschrittes ist dann das 1,3-Bisphosphoglycerat, eine sehr energiereiche organische Verbindung, wegen der beiden Phosphatgruppen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass im 5. Schritt der Glycolyse die beiden Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Moleküle ein weiteres Mal aktiviert werden, diesmal allerdings nicht durch ATP, sondern durch freies anorganisches Phosphat, das stets im Zellplasma vorkommt. Chemisch gesehen ist dieser Schritt eine Oxidation, und es werden pro Glucose-Molekül zwei NADH/H⁺-Einheiten ("Reduktionsäquivalente") gewonnen.

Die drei Abbildungen wurden übrigens von mir nach der Abbildung 14-7 in dem neuen Lehninger ^[1] erstellt, den mir meine Biologie-Fachkollegen des Söderblom-Gymnasiums zu meiner Pensionierung finanziert haben.

Regulation

Eine reguläre Regulation (pun intended) findet bei diesem fünften Schritt nicht statt. Aber Schwermetall-Ionen wie Hg²⁺ setzen sich an die SH-Gruppen der Cystein-Seitenketten des Enzyms und blockieren so die Umsetzung des Substrates irreversibel.