AEROBE GLYKOLYSE: GLYKOLYTISCHE REAKTIONEN UND ZWISCHENPRODUKTE - BIOLOGIE - 2025

Die aerobe Glykolyse oder Aerobic, definiert als die Verwendung von überschüssiger Glucose, wird nicht durch oxidative Phosphorylierung zur Bildung von "fermentativen" Produkten verarbeitet, selbst unter Bedingungen hoher Sauerstoffkonzentrationen und trotz des Abfalls der Energieeffizienz.

Es tritt häufig in Geweben mit hohen Proliferationsraten auf, deren Verbrauch an Glukose und Sauerstoff hoch ist. Beispiele hierfür sind Krebstumorzellen, einige parasitäre Zellen im Blut von Säugetieren und sogar Zellen in einigen Bereichen des Gehirns von Säugetieren.

Glykolytischer Weg (Quelle:] über Wikimedia Commons)

Die durch den Glukosekatabolismus gewonnene Energie bleibt in Form von ATP und NADH erhalten, die in verschiedenen Stoffwechselwegen nachgeschaltet werden.

Während der aeroben Glykolyse wird Pyruvat auf den Krebszyklus und die Elektronentransportkette gerichtet, aber es wird auch über den Fermentationsweg zur Regeneration von NAD + ohne zusätzliche ATP-Produktion verarbeitet, die mit der Bildung von Laktat endet.

Aerobe oder anaerobe Glykolyse tritt hauptsächlich im Cytosol auf, mit Ausnahme von Organismen wie Trypanosomatiden, die spezielle glykolytische Organellen besitzen, die als Glykosomen bekannt sind.

Die Glykolyse ist einer der bekanntesten Stoffwechselwege. Es wurde in den 1930er Jahren vollständig von Gustav Embden und Otto Meyerhof formuliert, die den Weg in Skelettmuskelzellen untersuchten. Die aerobe Glykolyse ist jedoch seit 1924 als Warburg-Effekt bekannt.

Reaktionen

Der aerobe Katabolismus von Glucose erfolgt in zehn enzymatisch katalysierten Schritten. Viele Autoren sind der Ansicht, dass diese Schritte in eine Phase der Energieinvestition unterteilt sind, die darauf abzielt, den Gehalt an freier Energie in den Vermittlern zu erhöhen, und eine weitere Phase des Ersatzes und des Energiegewinns in Form von ATP.

Energieinvestitionsphase

1-Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat, katalysiert durch Hexokinase (HK). Bei dieser Reaktion wird ein ATP-Molekül für jedes Glucosemolekül invertiert, das als Phosphatgruppendonor fungiert. Es liefert Glucose-6-phosphat (G6P) und ADP, und die Reaktion ist irreversibel.

Das Enzym benötigt für seinen Betrieb notwendigerweise die Bildung eines vollständigen Mg-ATP2-, weshalb es Magnesiumionen benötigt.

2-Isomerisierung von G6P zu Fructose-6-phosphat (F6P). Es ist nicht energieaufwendig und eine reversible Reaktion, die durch Phosphoglucoseisomerase (PGI) katalysiert wird.

3-Phosphorylierung von F6P zu Fructose-1,6-bisphosphat, katalysiert durch Phosphofructokinase-1 (PFK-1). Ein ATP-Molekül wird als Phosphatgruppendonor verwendet und die Reaktionsprodukte sind F1,6-BP und ADP. Diese Reaktion ist aufgrund ihres Wertes von ∆G irreversibel (genau wie Reaktion 1).

4-katalytischer Abbau von F1,6-BP in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP), eine Ketose, und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP), eine Aldose. Das Enzym Aldolase ist für diese reversible Aldolkondensation verantwortlich.

5-Triose-Phosphat-Isomerase (TIM) ist für die gegenseitige Umwandlung von Triose-Phosphat: DHAP und GAP ohne zusätzlichen Energieeintrag verantwortlich.

Energierückgewinnungsphase

1-GAP wird durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) oxidiert, die die Übertragung einer Phosphatgruppe auf GAP unter Bildung von 1,3-Bisphosphoglycerat katalysiert. Bei dieser Reaktion werden zwei Moleküle NAD + pro Molekül Glucose reduziert und zwei Moleküle anorganisches Phosphat verwendet.

Jedes produzierte NADH durchläuft die Elektronentransportkette und 6 ATP-Moleküle werden durch oxidative Phosphorylierung synthetisiert.

2-Phosphoglyceratkinase (PGK) überträgt eine Phosphorylgruppe von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP und bildet zwei ATP- und zwei 3-Phosphoglycerat (3PG) -Moleküle. Dieser Prozess ist als Phosphorylierung auf Substratebene bekannt.

Die beiden ATP-Moleküle, die bei den Reaktionen von HK und PFK verbraucht werden, werden in diesem Schritt des Weges durch PGK ersetzt.

3-3PG wird durch Phosphoglyceratmutase (PGM) in 2PG umgewandelt, die die Verschiebung der Phosphorylgruppe zwischen Kohlenstoff 3 und 2 von Glycerat in zwei reversiblen Schritten katalysiert. Das Magnesiumion wird auch von diesem Enzym benötigt.

Eine durch Enolase katalysierte 4-A-Dehydratisierungsreaktion wandelt 2PG in Phosphoenolpyruvat (PEP) in einer Reaktion um, die keine Energieinvestition erfordert, aber eine Verbindung mit größerem Energiepotential für den späteren Transfer der Phosphatgruppe erzeugt.

5-Schließlich katalysiert Pyruvatkinase (PYK) die Übertragung der Phosphorylgruppe in PEP auf ein ADP-Molekül unter gleichzeitiger Produktion von Pyruvat. Pro Glucosemolekül werden zwei ADP-Moleküle verwendet und zwei ATP-Moleküle erzeugt. PYK verwendet Kalium- und Magnesiumionen.

Somit beträgt die Gesamtenergieausbeute der Glykolyse 2 ATP-Moleküle für jedes Glucosemolekül, das in den Weg eintritt. Unter aeroben Bedingungen beinhaltet der vollständige Abbau von Glucose die Gewinnung von 30 bis 32 ATP-Molekülen.

Schicksal der glykolytischen Zwischenprodukte

Nach der Glykolyse wird Pyruvat decarboxyliert, wobei CO2 entsteht und die Acetylgruppe an das Acetyl-Coenzym A abgegeben wird, das im Krebszyklus ebenfalls zu CO2 oxidiert wird.

Während dieser Oxidation freigesetzte Elektronen werden durch mitochondriale Atmungskettenreaktionen zu Sauerstoff transportiert, was letztendlich die ATP-Synthese in dieser Organelle antreibt.

Während der aeroben Glykolyse wird das überschüssige Pyruvat durch das Enzym Lactatdehydrogenase verarbeitet, das Laktat bildet und einen Teil der in der Glykolyse verbrauchten NAD + -Schritte regeneriert, jedoch ohne die Bildung neuer ATP-Moleküle.

Laktatdehydrogenase-Mechanismus (Quelle: Jazzlw über Wikimedia Commons)

Darüber hinaus kann Pyruvat beispielsweise in anabolen Prozessen eingesetzt werden, die zur Bildung der Aminosäure Alanin führen, oder es kann auch als Gerüst für die Synthese von Fettsäuren dienen.

Wie Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, erfüllen viele der Reaktionszwischenprodukte andere Funktionen in katabolen oder anabolen Pfaden, die für die Zelle wichtig sind.

Dies ist der Fall bei Glucose-6-phosphat und dem Pentosephosphatweg, wo die in Nukleinsäuren vorhandenen Ribose-Zwischenprodukte erhalten werden.

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