Glykolyse
Glykolyse (aus dem Griechischen glyk= süß und lysis=auflösen; auch bekannt als Embden-Meyerhof-Weg) ist der erstes Teil des Glukosemetabolismus. Es ist ein biochemischer Abbauweg, der ein Molekül Glukose in zwei Moleküle Pyruvat umwandelt. Die Glykolyse findet im Cytosol der Zelle statt und kommt komplett ohne Sauerstoff aus (ist also anaerob). In Prokaryoten wird das Pyruvat anaerob zu Milchsäure oder Ethanol abgebaut, in Eukaryoten wird es im Citratzyklus weiterverarbeitet.
Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den praktisch alle modernen Organismen gemein haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist; die Glykolyse entstand möglicherweise in den ersten Prokaryoten vor 3,5 Milliarden Jahren.
Der erste Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Glukose durch das Enzym Hexokinase. Diese Reaktion verbraucht 1 ATP, was allerdings eine gute Investition darstellt. Die Zellmembran ist nämlich durchlässig für Glukose, aber nicht für das durch die Phosphorylierung entstehende Glukose-6-phosphat, welches sich dadurch in der Zelle anreichert und durch Verschiebung des Gleichgewichts an der Membran die Aufnahme von Glukose begünstigt. Glukose-6-phosphat wird dann von der Phosphoglukose-Isomerase in Fruktose-6-phosphat umgebaut. (An diesem Punkt kann Fruktose auch in den glykolytischen Weg eintreten.)
Danach verbraucht die Phosphofructokinase 1 ATP, um Fructose-1,6-bisphosphat (F-1.6BP) zu bilden. Dieser Energieverbrauch ist auf zweierlei Weise gerechtfertigt: Zum einen macht dieser Schritt die Glykolyse irreversibel, zum anderen erlaubt die zweite Phosphatgruppe die Spaltung des Glukoserings durch Aldolase in Dihydroxyacetonphosphat und Glyzerinaldehyd-3-phosphat. (Dihydroxyacetonphosphat wird von der Triosephosphatisomerase in Glyzerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt.) Jedes der beiden resultierenden Glyzerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle wird dann durch NAD+ und Glyzerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglyzerat oxidiert.
Im nächsten Schritt erzeugt die Phosphoglyzeratkinase je ein Molekül ATP bei der Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglyzerat zu 3-Phosphoglyzerat. Damit ist die Energiebilanz der bisherigen Glykolyse ausgeglichen; zwei Moleküle ATP wurden verbraucht und wiedergewonnen. Diese ATP-Synthese braucht ADP als Basis. Falls die Zelle bereits viel ATP (und damit wenig ADP) hat, hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht. Diese Feedbackregulation ist wichtig, da ATP relativ schnell zerfällt, wenn es nicht genutzt wird. Überproduktion von ATP wird somit verhindert. Phosphoglyceromutase katalysiert dann 3-Phosphoglyzerat zu 2-Phosphoglyzerat, woraus schließlich Phosphoenolpyruvat wird; dieses wird schließlich, unter Erzeugung eines weitern ATP, zu Pyruvat. Auch dieser Schritt ist ADP-reguliert.
Bemerkenswert ist, dass die meisten Reaktionen welche der Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat folgen, energetisch ungünstig sind. Sie würden kaum ablaufen, wenn sie nicht durch die energetisch günstigen Kinasereaktionen ( Phosphofruktokinase, Phosphoglyzeratkinase, Pyruvatkinase) "hindurchgezogen" werden würden. Die hier zugrundeliegende Strategie ist erwähnenswert, begünstigt diese Gleichgewichtslage doch die Glukoneogenese, das ist die Synthese von Glukose aus Pyruvat bei günstigem Energiestatus. Dies erfordert alle Enzyme, bis auf zwei der erwähnten "Zugpferde", die allein der Glycolyse zugeordnet und hier mit -14 und -24 kJ/mol stark exergonisch sind.
Prokaryonten bringt die Glykolyse 2 Moleküle ATP pro Molekül Glukose. Die Mitochondrien eines Eukaryonten können aus den beiden Pyruvaten insgesamt weitere 34 Moleküle ATP gewinnen.
Die Glykolysereaktionen bis zum Pyruvat werden sowohl in aerob als auch in anaerob arbeitenden Geweben durchlaufen. Die Regeneration des Oxidationsmittels (Coenzyms) NAD+, das zur Oxidation des Glyzerinaldehyd-3-phosphats durch die zugeordnete Dehydrogenase GAPDH eingesetzt und dabei zu NADH,H+ wird, erfolgt im ersten Fall in der Atmungskette. Im Falle anaeroben Stoffwechsels ist hierfür die stark exergone (ΔGo´ = - 25 kJ/mol) Lactatdehydrogenase (LDH) zuständig: Reduktion von Pyruvat mit NADH,H+ liefert Lactat und regeneriert NAD++ (bei Hefe wird diese Funktion durch zwei Enzyme, Pyruvat-decaboxylase plus Alkoholdehydrogenase übernommen). Dieser "Kreisprozess" ist Inhalt der folgenden Abbildung:
Gegenseitige Abhängigkeit der GAPDH-und LDH-Reaktionen bei anaerober Glycolyseführung. Mit Ausnahme geringer Mengen NADH,H+, die durch Glycerinphosphatdehydrogenase (GDH) umgesetzt werden, muss der Großteil an NAD+ durch die LDH-Reaktion regeneriert werden.