Einführung in die Biochemie Glykolyse

Einführung in die Biochemie
Glykolyse
Der Abbau der Glukose beginnt beim aeroben und beim anaeroben Abbau nach dem
gleichen Prinzip, der Glykolyse. Dabei wird Brenztraubensäure (2-Ketopropansäure)
gebildet. Die Glykolyse ist die erste Stufe des abbauenden Stoffwechsels, die im
Zellinneren (Zytoplasma) abläuft. Langkettige Kohlenhydrate werden bei der
extrazellulären Verdauung bereits vorher enzymatisch in Zuckermoleküle zerlegt.
Die Glykolyse beginnt mit Reaktionsschritten, die ATP und somit Energie
verbrauchen:
P
OH
l
CH2
\
O
Glukose
ATP
ADP
/
O
l
CH2
\
O
Glukose-6-phosphat
P
/
O
l
CH2
O
\
P
OH
/
– CH2
ATP
Fruktose-6-phosphat
/
O
l
ADP CH2
O
\
P
I
O
/
– CH2
Fruktose-1,6-diphosphat
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Einführung in die Biochemie
Glykolyse
Glucose wird mit ATP phosphoryliert. Es entsteht Glukose-6-phosohat, das sich zu
Fruktose-6-phosohat isomerisiert. Nach erneutem Energieverbrauch entsteht das
entsprechende Diphosphat, welches in Dihydroxyacetonphosphat und
Glycerinaldehyd-3-phosphat gespalten wird.
P
/
O
l
CH2
O
\
P
I
O
/
– CH2
Fruktose-1,6-diphosphat
P
/
O
I
CH2
I
C=O
I
CH2OH
Dihydroxyacetonphosphat
P
/
O
I
CH2
I
CH – OH
I
CHO
Glycerinaldehyd-3-phosphat
Glycerinaldehyd-3-phosphat kann durch Oxidation zu Glycerinsäure-3-phosphat
abgebaut werden. Die Fruktose wird aber vollständig zu Glycerinsäure abgebaut.
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Einführung in die Biochemie
Glykolyse
Glycerinaldehyd-3phosphat
P
/
O
I
CH2
I
CH – OH
I
CHO
P
ADP + P
+
ATP
H2O
NAD
NADH2
/
O
I
CH2
I
CH – OH
I
COOH
Glycerinsäure-3phosphat
Die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat verläuft über eine mehrstufige Reaktion,
in deren Verlauf aus ADP und anorganischem Phosphor ATP gebildet wird Substratketten-Phosphorylierung. Die Weiterreaktion zur Brenztraubensäure findet unter
nochmaligem Energiegewinn über ein Zwischenprodukt statt.
P
/
O
I
CH2
I
CH – OH
I
COOH
CH2 P
II
/
C–O
I
COOH
ADP
ATP
CH3
I
C=O
I
COOH
Brenztraubensäure
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Einführung in die Biochemie
Glykolyse
Die Bilanz der Glykolyse ergibt einen relativ geringfügigen Energiegewinn pro Mol
Glukose:
Verbrauch:
-2 mol ATP
GlukoseFruktose-1,6-diphosphat
Gewinn:
+2 mol ATP + 2 molNADH2 2 Glycerinaldehyd-3-phosphat 2 Glycerinsäure-3-phosphat + 2 mol ATP
2 Brenztraubensäure
Saldo:
+2 mol ATP + 2 mol NADH2
Oder als Umsatzgleichung:
C6H12O6 2 C3H4O3 + 4 [H]
(2 Reduktionsäquivalente)
Die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat benötigt keinen Sauerstoff. Das
kann als Hinweis auf das entwicklungsgeschichtliche Alter der Glykolyse gedeutet
werden, denn in der Frühzeit der Evolution gab es noch keinen Sauerstoff. Der
Glykolyseprozess hat sich seither nicht mehr verändert; er verläuft bei allen
Lebewesen gleich!
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Einführung in die Biochemie
Atmung – aerober Abbau
Beim aeroben Abbau laufen die Folgereaktionen der Glykolyse in den
Mitochondrien in mehreren Stufen ab.
1. Oxidative Decarboxylierung der der Brenztraubensäure. Es wird aktivierte
Essigsäure (Acetyl-CoA) gebildet.
2. Acetyl-CoA wird in den Zitronensäurezyklus eingespeist und unter HAbspaltung (Reduktionsäquivalente) zu CO2 oxidiert.
3. Der letzte Schritt ist die Atmungskette. Dort wird der Wasserstoff aus den
reduktionsäquivalenten zu Wasser verbrannt.
Zitronensäure – Zyklus (Krebs – Zyklus)
In einer Vorstufe zum eigentlichen Zyklus wird von der Brenztraubensäure ein
Molekül CO2 abgespalten und durch Abspaltung von H oxidiert. Diese Vorstufe
heißt oxidative Decarboxylierung. Neben mehreren Enzymen sind dabei auch die
Koenzyme NAD und A beteiligt.
CH3
I
C=O +
I
COOH
NAD
CoA
Brenztraubensäure
NADH2
CH3
I
C=O
I
CoA
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Einführung in die Biochemie
Atmung – aerober Abbau
Die formale Umsatzgleichung des Zitronensäure – Zyklus ergibt für ein Molekül
Brenztraubensäure:
C3H4O3 + 3 H2O 3 CO2 + 10 [H]
(5 Reduktionsäquivqlente)
Der indirekte Energiegewinn ist mit den 5 Reduktionsäquivalenten beträchtlich. Das
gebildete Wasserstoffreservoir wird in der Atmungskette abgerufen. Gemeinsam mit
der Glykolyse kommt man auf einen Energiegewinn von 4 mol ATP pro mol
Glukose. Die Umsatzbilanz der Glukosezerlegung für Glykolyse und Zitronensäure
– Zyklus ergibt:
C6H12O6 + 6 H2O 6CO2 + 24 [H]
(12 Reduktonsäquivalente)
Atmungskette
Der Wasserstoff der Reduktionsäquivalente wird in der Atmungskette über mehrere
Teilschritte zu Wasser oxidiert. Dies geschieht an der Innenmembran der
Mitochondrien wo auch eine direkte Oxidation von H und O verhindert wird
(Knallgasexplosion).
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Einführung in die Biochemie
Atmung – aerober Abbau
Glukose
↓
Glykolyse
↓
2 Brenztraubensäure
↓
oxidative
Decarboxylierung
↓
2 Acetyl-CoA
↓
ZitronensäureZyklus
↓
4 CO2
Atmungskette
x3
→ 2 NADH2→ → → 6 ATP
→ 2 ATP — — → 2 ATP
Gesamtbilanz des aeroben
Abbaus der Glukose aus
Glykolyse, Zitronensäure-Zyklus
und Atmungskette
x3
→ 2 NADH2→ → → 6 ATP
x3
→ 6 NADH2→ → → 18 ATP
→ 2 ATP — — → 2 ATP
→ 2 FADH2→ → → 4 ATP
x 2 _________
12 H2O ←
6 O2
→
38 ATP
Die Gesamtbilanz aus der Umsatzgleichung
C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 6 CO2 + 12 H2O
ergibt einen Energiegewinn von 38 mol ATP pro 1 mol Glukose
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Einführung in die Biochemie
Gärung – anaerober Abbau
Gärungen sind ATP liefernde Energiestoffwechsel, die ohne Sauerstoff als
Oxidationsmittel ablaufen.
Ein Grund zur Nutzung der Gärung kann ein plötzlich anstehender Bedarf an rasch
verfügbarerer Energie sein, wie in den Muskeln bei intensiver körperlicher Betätigung.
Gärungsprozesse können schneller auf hohe Energieumsätze beschleunigt werden,
weil kein Sauerstoff herangeholt und präpariert werden muss. Alle benötigten Stoffe
stehen zur Verfügung.
Freier Sauerstoff ist ein Zellgift!
Bis zur Stufe der Brenztraubensäure (Glykolyse) verlaufen alle Gärungen einheitlich.
Danach unterscheidet man mehrere Varianten, von denen die Milchsäuregärung und
die alkoholische Gärung für den Menschen wichtig sind.
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Einführung in die Biochemie
Gärung – anaerober Abbau
Milchsäuregärung
Die Milchsäuregärung läuft unter anderen anaeroben Bedingungen in der Muskelzelle
ab. Dabei wird Pyruvat enzymatisch unter Verbrauch von NADH zu Milchsäure bzw.
Lactat abgebaut.
O
C
O-
NADH + H+
NAD+
H3C
C
H3C
Pyruvat
(reduzierte Form der
Brenztraubensäure) O
C6H12O6 + 2 ADP + 2 P
OH
C
H
O
C
O-
Lactat
Milchsäure
2 CH3-CHOH-COOH + 2 ATP
Auch bei der Milchsäuregärung ergibt sich der Energiegewinn aus der Bildung von 2 mol ATP,
die bei der Glykolyse gebildet werden.
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Einführung in die Biochemie
Gärung – anaerober Abbau
Alkoholische Gärung
Der Energiegewinn beschränkt sich auf 2 mol ATP, die bei der Glykolyse der
Kohlenhydrate anfallen.
C6H12O6 + 2 ADP + 2 P
2 CO2 + 2 C2H5OH + 2 ATP
Die alkoholische Gärung ist ein Stoffwechselprozess, der von Hefezellen zur
Energiegewinnung genutzt wird. Hefe besitzt die dazu notwendigen Enzyme
Pyruvatcarboxylase und Alkoholdehydrogenase
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