Im dritten Schritt der Glycolyse erhält die Glucose - inzwischen zum Fructose-6-phosphat umgewandelt - eine zweite Phosphat-Gruppe und wird dadurch so energiereich, dass das Molekül leicht gespalten werden kann.
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].
Die Rolle von Fructose-2,6-bisphosphat
Eine ganz wichtige Rolle spielt das Fructose-2,6-bisphosphat, bei geringer Konzentration dieses Stoffes läuft die Glycolyse nur sehr langsam ab, eine hohe Konzentration fördert die Glycolyse und vermindert gleichzeitig den hemmenden Einfluss von ATP. Eine hohe Konzentration von Fructose-2,6-bisphosphat hemmt außerdem die Gluconeogenese, die praktisch eine Art Umkehrreaktion der Glycolyse ist. So wird verhindert, dass die beiden gegeneinander arbeitenden Stoffwechselwege Glycolyse und Gluconeogenese gleichzeitig ablaufen [5].
Im menschlichen Stoffwechsel beeinflussen die Hormone Insulin und Glucagon die Konzentration von Fructose-2,6-bisphosphat: Glucagon führt über mehrere Schritte dazu, dass der Spiegel an Fructose-2,6-bisphosphat sinkt, somit wird die Glycolyse in den Zellen gehemmt. Wenn in den Zellen keine Glucose mehr verbraucht wird, steigt der Blutzuckerspiegel an.
Insulin führt umgekehrt über mehrere Schritte zu einer Erhöhung des Fructose-2,6-bisphosphat-Spiegels und fördert so die Glycolyse und damit den Abbau von Glucose, was den Blutzuckerspiegel absenkt [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, bei dem 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: Public domain.
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 "Ersatzschreibweise" 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.
Quellen:
- Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
- Nelson, Cox. LEHNINGER Principles of Biochemistry. Macmillan Learning, New York 2021.
- Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.
- Wikipedia, Artikel "Phosphofructokinase 1".
- DocCheck Flexikon, Artikel "Fructose-2,6-bisphosphat"
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