Glycolyse

BIOCHEMIE
Prof. Manfred SUSSITZ
über(be)arbeitet und zusammengestellt nach Internetvorlagen:
Medizinische Fakultät, Universität Erlangen
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/start.html
http://pharm1.pharmazie.unigreifswald.de/biochem/biochem.htmlhttp://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?b
s12-22.htm
http://www.u-helmich.de/bio/zell/4/index.html
http://www.chemgapedia.de/index.html
http://de.wikipedia.org/wiki/chemie
http://www.chemienet.info/ub8.html
u.a. ...
http://www.bioc.unizh.ch/bipweb/lexikon/ (bewegte Moleküle – Biochemie)
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Stoffwechsel - Übersicht
Verdauung
Die "Verdauung" findet im
Mund, Magen und Darm
statt, dabei werden die
Nährstoffe mit Hilfe von
Enzymen zerlegt:
Kohlenhydrate
Amylasen
Monosaccharide
Fette
Lipasen
Glycerin und Fettsäuren
Eiweißstoffe
Proteasen
Aminosäuren
ENZYME
ENZYME
Stärke wird in Glucose zerlegt.
+ H2O + H2 O
(Spaltung von Etherbindungen
durch Hydrolyse)
 ENZYME
Fett wird in Glycerin und
Fettsäuren zerlegt.
(Spaltung eines Esters durch
Hydrolyse
ENZYME
Eiweiß wird in Aminosäuren
zerlegt.
+ Wasser
(Spaltung eines
durch Hydrolyse)
Polypeptids
Diese Bausteine werden im Körper verteilt um daraus körpereigene Stoffe aufzubauen oder unter
Energiegewinn oxidiert zu werden.
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Energiegewinnung
Bei der Glycolyse wird Glucose (6C) unter Energiegewinn (ADP=> ATP) in Pyruvat (3 C)
abgebaut.
Aus Pyruvat wird in einem Zwischenschritt unter Energiegewinn Essigsäure(2C).
Auch beim Abbau von Fetten und vieler Aminosäuren entsteht Essigsäure, die als Acetyl-Coenzym
A in den Citratcyclus eingespeist wird.
Dort wird in kleinen Schritten unter Energiegewinn Kohlendioxid abgespalten und Wasserstoff auf
andere Stoffe (NAD +, FAD) übertragen.
In der Atmungskette wird dieser Wasserstoff zu Wasser oxidiert, wobei wieder Energie frei wird.
Energiestoffwechsel
Anaerobe Organismen (leben ohne Sauerstoff) stellen
Milchsäure oder Ethanol aus Glucose her,
aerobe Organismen (leben mit Sauerstoff) produzieren
bei der Glycolyse Pyruvat ("Brenztraubensäure") aus
Glucose.
Allgemeines zur Glycolyse
Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch EMBDENMEYERHOFF-Weg genannt - verläuft bei fast allen
Organismen im Zellplasma. Die Enzyme der Glycolyse
sind nicht membrangebunden, sondern liegen frei im
Plasma vor.
Die Glycolyse ist keine allzu effiziente Energiegewinnung.
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.
Man kann bei der Glycolyse 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.
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Glycolyse im Einzelnen
Schritt 1:
Phosphorylierung der Glucose
In der Vorbereitungsphase der Glycoloyse soll die Glucose in zwei
kleinere Moleküle gespalten werden. Damit dies geschehen kann,
muss
die
Glucose
zuvor
aktiviert
werden.
Enzym:
Hexokinase
Der 1. Schritt der Glycolyse ist eine Phosphorylierung: die
Übertragung eines Phosphat-Restes auf die Glucose. Dadurch wird
das Molekül um ca. 16,7 kJ/mol energiereicher als es schon ist.
Schritt 2 :
Isomerisierung des GlucosePhosphats
Enzym:
Glucose-6-Phosphat-Isomerase
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.
Schritt 3 :
Die zweite Phosphorylierung
Enzym:
Phosphofructokinase
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; die freie
Reaktionsenergie der Rückreaktion reicht nicht aus, um ADP zu
phosphorylieren.
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Schritt 4 :
Die Spaltung
Enzym:
Aldolase
Im 4. Schritt wird das Fructose-1,6-diphosphat-Molekül in ein
Glycerinaldehyd-Phosphat- und ein Dihydroxyaceton-PhosphatMolekül gespalten. Die durch das Enzym Aldolase katalysierte
Reaktion verläuft in zwei Teilschritten.
Zunächst wird der Ring an einer Art "Sollbruchstelle" aufgespalten.
Dies ist bei Glucose und Fructose nichts Ungewöhnliches; ein Teil
der Zuckermoleküle liegt in der Ringform vor, ein anderer Teil in der
Kettenform.
Im zweiten Teilschritt wird das kettenförmige Molekül nun endgültig
gespalten. Es entstehen Glycerinaldehyd-Phosphat (GAP) und
Dihydroxyaceton-Phosphat (DHAP). Der Pfeil im grauen Kasten
zeigt, dass das DHAP in GAP umgewandelt werden kann, so dass im
Endeffekt zwei GAP-Moleküle aus einem Fructose-1,6-DiphosphatMolekül entstehen.
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Schritt 5/6 :
Gewinnung von ATP
Im 5. Schritt wird der C3-Körper oxidiert. Diese Reaktion ist so
exotherm, dass eine weitere Phosphatgruppe angelagert werden
kann, welche dann im 6. Schritt auf ein ADP-Molekül übertragen
wird.
Damit ist die Energiebilanz der Glycolyse am Ende des 6. Schrittes
ausgeglichen. Die beiden ATPs, die in den Schritten 1 und 3 in die
Glucose hineingesteckt worden sind, werden im 6. Schritt (der ja
zweimal abläuft) zurückgewonnen.
Schritt 7 :
Isomerisierung
Im 7. Schritt lagert sich das Glycerat-3-Phosphat in das isomere
Glycerat-2-Phosphat um. Ohne diese Isomerisierung kann der
nächste Reaktionsschritt nicht ablaufen.
Schritt 8 :
Vorbereitung von Schritt 9
Im 8. Schritt entsteht durch Wasserentzug das Phospho-EnolPyruvat (PEP), welches ein recht hohes Energieniveau hat.
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Schritt 9 :
ATP-Gewinnung
Enzym:
Pyruvatkinase,
Im 9. Schritt entsteht das Endprodukt der Glycolyse, das Pyruvat:
Die für die Bildung von ATP notwendige Phosphat-Gruppe stammt
aus dem PEP-Molekül. Dies ist somit der 2. Schritt, bei dem ATP
gebildet wird. Wieder handelt es sich um eine SubstratkettenPhosphorylierung.
Das Pyruvation ist in der oberen Abbildung in seiner Enol-Form
dargestellt, damit die Verwandtschaft zum Vorgängermolekül
deutlicher wird. In manchen Lehrbüchern wird Pyruvat auch in
seiner Keto-Form dargestellt (links).
Brenztraubensäure ist übrigens die deutsche Bezeichnung für
die Säure, die das Pyruvation liefert: durch Abgabe eines
Protons entsteht aus dem Brenztraubensäure-Molekül das
Pyruvat-Ion.
Das Pyruvat ist nun das Endprodukt der Glycolyse und gleichzeitig
der Ausgangsstoff des Zitronensäure-Zyklus.
Insgesamt wurden aus einem Glucose-Molekül zwei PyruvatMoleküle hergestellt, dabei wurden gleichzeitig zwei ATPMoleküle gewonnen.
Theoretisch könnte ein Lebewesen also allein mit einer Glycolyse seine Energie gewinnen. Sehr effektiv ist
dieser anaerobe Mechanismus allerdings nicht. Aber manchen Organismen bleibt gar nichts anderes übrig,
wenn sie überleben wollen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Glykolyse
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm
http://pharm1.pharmazie.uni-greifswald.de/biochem/2_1.htm
http://gutenberg.biologie.uni-konstanz.de/ringzb06/pub/2006-05-29-Osiewacz_Mitochondrien.pdf
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-medizinerneu/kohlenhydrate/glycolyse.html
http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe3/glyco3.html
!!!http://www.chemienet.info/ub8/8-bc2.html
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Glycolyse im Überblick
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Gärung
Das Pyruvat (Brenztraubensäure) ist das Endprodukt der Glycolyse. In Anwesenheit von
Sauerstoff (aerob) findet bei den meisten Lebewesen nun eine aerobe Oxidation des Pyruvats in
den Mitochondrien statt. Diese Reaktion liefert sehr viel Energie in Form von ATP.
Einige Organismen leben (zumindest zeitweise) jedoch in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob).
Sie können das Pyruvat daher nicht aerob abbauen. Während der Glycolyse wird etwas (wenig)
Energie gewonnen: pro Glucosemolekül werden im Endeffekt zwei ATP-Moleküle frei gesetzt.
Eine solche anaerobe Lebensweise bringt ein Problem mit sich: während des 5. Schritts der
Glycolyse wird NAD verbraucht. Irgendwann gehen die NAD-Vorräte der Zelle zur Neige, wenn
nicht laufend neues NAD nachgeliefert wird.
Bei der aeroben Dissimilation (Atmung) wird in den Mitochondrien jede Menge NAD hergestellt.
Bei der anaeroben Dissimilation (Gärung) sorgen andere Mechanismen für die Regeneration
des NADs.
In der Natur haben sich viele verschiedene Typen der Gärung entwickelt. Die beiden wichtigsten
sind die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung.
Milchsäure-Gärung
Hydrierung (Reduktion) von Pyruvat
Keto-Enol-Form von Pyruvat:
Das Pyruvat wird unter Verbrauch von NADH zu
Milchsäure und NAD abgebaut. Das eigentliche
Endprodukt dieser Gärung ist nicht etwa die Milchsäure,
sondern das NAD, welches dringend für den 5. Schritt der
Glycolyse benötigt wird.
Die Milchsäuregärung ist für viele Bakterienarten und
einige
Algen
typisch.
Die
Gesamtbilanz
der
Milchsäuregärung sieht so aus:
C6 H12 O6 + 2 ADP + 2 Pi ---> 2 C3H 6O3 + 2 ATP, 
G = -136
kJ/mol
Das Enzym, welches diesen Schritt katalysiert, heißt
Lactat-Dehydrogenase. Auch im Säugetiergewebe
kommt Lactat-Dehydrogenase vor.
Die Bildung von überschüssiger Milchsäure in den
Muskelzellen bei starker Belastung des Muskels soll eine
der möglichen Ursachen für den "Muskelkater" sein.
Enzym:
Lactat-Dehydrogenase LDH
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Alkoholische Gärung
Decarboxylierung
von Pyruvat
Das Pyruvat wird durch die
Pyruvat-Decarboxylase
zunächst zu Acetaldehyd und
Kohlendioxid abgebaut:
Hydrierung (Reduktion)
von Acetaldehyd
Anschließend wird der
Acetaldehyd zu Ethanol
+
reduziert, dabei wird NADH/H
+
verbraucht und NAD
regeneriert:
Die Gesamtgleichung der alkoholischen Gärung sieht so aus:
C 6H12 O6 + 2 ADP + 2 Pi ---> 2 C2H 5OH + 2 ATP + 2 CO 2, 
G = -174 kJ/mol
Unter Standardbedingungen werden somit ca. 26% der verfügbaren Energie in energiereicher
Bindung (also ATP) konserviert. Der Gewinn von 2 ATP ist bescheiden im Vergleich zur aeroben
Zerlegung von Glucose zu Kohlendioxid und Wasser, wobei 38 ATP pro Glucosemolekül anfallen.
Zur Deckung ihres Energiebedarfs müssen daher die Hefezellen und überhaupt alle Organismen
mit einem Gärungsstoffwechsel große Mengen an Substrat (Glucose) umsetzen. Denn über 90%
der theoretisch daraus gewinnbaren Energie bleiben in Spaltprodukten erhalten und sind für die
Organismen nicht direkt verwertbar.