Glycolyse, Vorbereitungsphase
Allgemeines zur Glycolyse
Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch EMBDEN-MEYERHOFF-Weg genannt - verläuft bei fast allen Organismen im Zellplasma. Die Enzyme der Glycolyse sind nicht membrangebunden, sondern liegen frei im Plasma vor.
Normalerweise ist die Glycolyse nur der erste von drei Dissimilationsschritten - und der am wenigsten effiziente. Dennoch gibt es - auch im menschlichen Körper - Zellen, die ihren Energiebedarf ausschließlich durch die Glycolyse decken.
Ein Beispiel hierfür sind Zellen im Strahlengang unseres Auges. Das liegt daran, dass die Mitochondrien, in denen die beiden Folgeschritte der Dissimilation stattfinden, so groß sind, dass wir sie als Objekte sehen würden, befänden sie sich im Strahlengang des einfallenden Lichtes. Also dürfen solche Zellen keine Mitochondrien enthalten. Wenn sie aber keine Mitochondrien enthalten, können sie ihren Energiebedarf nur durch die Glycolyse decken.
Genug geredet, kommen wir nun zum Ablauf der Glycolyse. Man kann hier grob drei Phasen unterscheiden:
1. Vorbereitsungsphase : Glucose wird durch ATP aktiviert. Das erleichtert die anschließende Spaltung des Moleküls (Schritte 1 bis 4).
2. Energiegewinnung : Die Spaltprodukte der Glucose werden oxidiert, dabei wird Energie frei und in Form von ATP und NADH gespeichert (Schritte 4 bis 9)
3. Regeneration von NAD+: Die Zelle hat nur einen bestimmten Vorrat des Coenzyms NAD+. Wenn dieser verbraucht würde, könnte bald keine Glycolyse mehr ablaufen. Also muss es einen Schritt geben, der das verbrauchte NAD+ wieder herstellt.
Nach diesem groben Überblick (siehe auch "Glycolyse im Überblick") nun die Schritte im Einzelnen.
Schritt 1
Der 1. Schritt der Glycolyse ist eine Phosphorylierung : die Übertragung eines Phosphat-Restes auf die Glucose. Dadurch wird das Molekül noch energiereicher als es schon ist, denn mit der Phosphorylierung ist eine Anhebung der Glucose auf ein höheres Energieniveau verbunden (um 16,7 kJ/mol).
Das katalysierende Enzym heißt Hexokinase und kann durch das Reaktionsprodukt Glucose-6-Phosphat allosterisch gehemmt werden. .
Info für Experten #1:
Die Hexokinase benötig außerdem Mg2+-Ionen. Das liegt daran, dass das ATP-Molekül mehrere negative Ladungen trägt:
Auch die OH-Gruppe des Glucose-Moleküls, mit der ATP reagieren soll, ist leicht negativ geladen. Die Glucose und das ATP würden sich also abstoßen, und es käme zu keiner Reaktion. Nun kommt aber das Mg2+-Ion ins Spiel: Es setzt sich so an das ATP, dass ein Teil der negativen Ladungen blockiert wird. Das ATP hat jetzt eine wesentlich schwächere negative Ladung und wird daher nicht mehr von der Glucose abgestoßen.
Info für Experten #2:
In der Leber wird die Reaktion durch das Enzym Glucokinase katalysiert, die etwas anders reguliert wird.
Info für Experten #3:
Das chemische Gleichgewicht dieser Reaktion liegt fast ausschließlich auf der Produktseite, so dass der Reaktionschritt praktisch irreversibel ist.
Abbildung
Die Stellung der Glycolyse im dissimilatorischen Stoffwechsel.
Eine tolle Webseite zur Glycolyse mit 3-D-Bildern aller beteiligten Moleküle und Enzyme findet sich unter diesem Link! Allerdings braucht man zum Betrachten mindestens 1280 x 1024 Bildpunkte!
Vorsichtshalber (einige schöne Webseiten sind nämlich plötzlich nicht mehr zugänglich) habe ich diese Seite hier gespiegelt.
Schritt 2
Bei dieser Isomerisierung wird lediglich die Struktur des Moleküls verändert; es wird weder nennenswerte Energie in das Molekül hineingesteckt, noch wird eine Oxidation oder Reduktion durchgeführt. Dieser Reaktionsschritt ist reversibel. Das katalysierende Enzym ist die Glucose-6-Phosphat-Isomerase , ein Enzym, das auch außerhalb der Glycolyse wichtige Funktionen hat, z.B. als Wachtumsfaktor.
Info für Experten:
Es stellt sich nun die Frage, welchen Sinn dieser Reaktionsschritt hat. Um dies zu erklären, muss ich etwas weiter ausholen.
Der Sinn der Glycolyse ist es doch, Glucose zu spalten. Aus einem Glucose-Molekül sollen zwei Bruchstücke hergestellt werden, die in dem nächsten Abschnitt des Zellstoffwechsels weiter verarbeitet werden. Zum Spalten eines Glucose-Moleküls ist ganz schön viel Energie notwendig. Ein ATP-Molekü allein kann diese Energie nicht liefern. Also müssen sich zwei ATP-Moleküle an die Glucose setzen.
Jetzt haben wir aber ein Problem: Das Glucose-Molekül kann nur eine Phosphatgruppe aufnehmen, nämlich am C-6-Atom.
Und hier die Lösung dieses Problems: Das Fructose-Molekül ist anders gebaut und kann daher zwei Phosphatgruppen (am C-1- und am C-6-Atom) aufnehmen. Also wird das Glucose-6-Phosphat in das Fructose-6-Phosphat umgewandelt, und schon kann eine zweite Phosphatgruppe aufgenommen werden.
Schritt 3
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.
Das katalysierende Enzym dieses 3. Schritts heißt Phosphofructokinase und kann durch ADP aktiviert sowie durch ATP und Fettsäuren (!) gehemmt werden.
Der Reaktionsschritt ist genau wie der erste irreversibel.
Schritt 4.1
Zunächst einmal findet eine Isomerisierung statt. Das ringförmige Molekül wird zwischen dem O-Atom im Ring und dem C2-Atom gespalten.
Info für Experten #1:
Chemisch gesehen tut sich hier noch nicht viel: Aus dem ringförmigen Fructose-1,6-diphosphat wird das kettenförmige Fuctose-1,6-diphospat. Dazu muss man wissen, dass in einer wässrigen Fructose-Lösung ein großer Teil der Fructose-Moleküle in Ringform, ein kleinerer Teil in Kettenform vorkommt. Ringförmige Fructose-Moleküle können sich in kettenförmige umwandeln und kettenförmige in ringförmige. Es handelt sich um eine typische Gleichgewichtsreaktion, wobei das Gleichgewicht auf Seiten der Ringform liegt. Wenn sich ein Fructosering in die Kettenform umwandelt, so erfolgt die Ringspaltung an genau der gleichen Stelle wie in der Glycolyse bei dem Fructose-1,6-diphosphat.
Info für Experten #2:
Zu diesem Schritt habe ich bereits einige EMails bekommen. Warum die Spaltung z.B. zwischen dem O-Atom und dem C2-Atom und nicht etwa zwischen dem O-Atom und dem C5-Atom stattfindet. Das kann man aber durch einfaches Ausprobieren selbst herausfinden. Würde das Fructose-1,6-Diphosphat zwischen O- und C5 gespalten, so würden völlig andere Reaktionsprodukte entstehen, aber nicht Glycerinaldehyd-Phosphat und Dihydroxyaceton-Phosphat.
Schritt 4.2
Im zweiten Teilschritt wird das kettenförmige Molekül nun endgültig gespalten. Die Spaltprodukte sind Dihydroxyaceton-Phosphat und Glycerinaldehyd-Phosphat. Das zuständige Enzym für diese Umwandlungsreaktion heißt Triosephosphat-Isomerase .
Info für Experten #1:
Ursache hierfür sind die Phosphatgruppen an den entgegengesetzten Enden des Fructose-1,6-diphosphat-Moleküls, die aufgrund ihrer negativen Ladungen die mittlere C-C-Bindung schwächen, so dass das Molekül leicht zerfällt.
Info für Experten #2:
Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt stark auf der Seite des Fructose-1,6-diphosphats. Nur 11% dieser Moleküle werden überhaupt gespalten. Die Spaltprodukte sind Dihydroxyaceton-Phosphat und Glycerinaldehyd-Phosphat. Man sollte nun erwarten, dass jedes dieser beiden Spaltprodukte zu 50% entsteht. Man findet aber ein Verhältnis von 96% Dihydroxyaceton-Phosphat zu nur 4% Glycerinaldehyd-Phosphat. Das liegt daran, dass die beiden Moleküle ineinander umgewandelt werden können. Und das chemische Gleichgewicht dieser Umwandlungsreaktion liegt zu 96% auf der Seite des Dihydroxyaceton-Phosphats. Die folgende Abbildung verdeutlicht das Gesagte noch einmal:
Glycerinaldehyd-Phosphat- und Dihydroxyaceton-Phosphat können dabei ineinander umgewandelt werden. Das Gleichgewicht dieser Isomerisierungs-Reaktion befindet sich fast ausschließlich (96%) auf der Seite des Dihydroxyaceton-Phosphats.
Info für Experten #3:
Man sollte jetzt denken, wenn schon hauptsächlich Dihydroxyacton-Phosphat produziert wird, sollte dieses auch der Stoff sein, der in der Glycolyse weiterverarbeitet wird. Das Gegenteil ist aber der Fall, nur das Glycerinaldehyd-Phosphat kann aus bestimmten Gründen weiterverarbeitet werden.
Zwischen den beiden Spaltprodukten besteht ja ein chemisches Gleichgewicht. Das heißt, es liegen immer 4% der Moleküle als Glycerinaldehyd-Phosphat vor. Stellen wir uns einmal vor, in einer Zelle befinden sich genau 10.000 Fructose-1.6-diphosphat-Moleküle. 11% oder 1.100 Moleküle werden gespalten, was zu 2.200 Molekülen Dihydroxyaceton-Phosphat und Glycerinaldehyd-Phosphat führt. Von diesen 2.200 Molekülen liegen 4% als Glycerinaldehyd-Phosphat vor, das sind genau 88 Moleküle.
Von diesen 88 Glycerinaldehyd-Phosphat-Molekülen sollen nun 80 weiterreagieren. Es bleiben nur noch 8 Moleküle Glycerinaldehyd-Phosphat über. Das chemische Gleichgewicht der Isomerisierung liegt aber bei 4% Glycerinaldehyd-Phosphat. Im Augenblick sind aber nur 8 Moleküle vorhanden, das sind deutlich weniger als 4%. Also reagieren jetzt einige der Dihydroxyaceton-Phosphat-Moleküle zu Glycerinaldehyd-Phosphat, bis wieder 4% davon vorliegen.
Da also das Glycerinaldehy-Phosphat durch Weiterreaktion ständig aus dem Medium entfernt wird, wird immer wieder neues Dihydroxyaceton-Phosphat in Glycerinaldehyd-Phosphat umgewandelt.
Und weiter geht es nun mit der Energiegewinnungsphase der Glycolyse.
