ANAEROBE GLYKOLYSE: REAKTIONEN UND FERMENTATIONSWEGE - BIOLOGIE - 2025

Die anaerobe Glykolyse oder anaerobe Glykolyse ist ein katabolischer Weg, der von vielen Zelltypen zum Abbau von Glucose in Abwesenheit von Sauerstoff verwendet wird. Mit anderen Worten, Glucose wird nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, wie dies bei der aeroben Glykolyse der Fall ist, sondern es werden Fermentationsprodukte erzeugt.

Es wird als anaerobe Glykolyse bezeichnet, da es ohne die Anwesenheit von Sauerstoff stattfindet, der in anderen Fällen als endgültiger Elektronenakzeptor in der mitochondrialen Transportkette fungiert, in der große Mengen an Energie aus der Verarbeitung glykolytischer Produkte erzeugt werden.

Glykolyse (Quelle: RegisFrey über Wikimedia Commons)

Je nach Organismus führt ein Zustand der Anaerobiose oder ein Sauerstoffmangel zur Produktion von Milchsäure (z. B. Muskelzellen) oder Ethanol (Hefe) aus dem Pyruvat, das durch den Abbau von Glukose erzeugt wird.

Infolgedessen sinkt die Energieausbeute dramatisch, da nur zwei Mol ATP für jedes Mol verarbeitete Glucose produziert werden, verglichen mit 8 Mol, die während der aeroben Glykolyse erhalten werden können (nur in der glykolytischen Phase).

Der Unterschied in der Anzahl der ATP-Moleküle hat mit der Reoxidation von NADH zu tun, die im Gegensatz zur aeroben Glykolyse, bei der für jedes NADH 3 ATP-Moleküle erhalten werden, kein zusätzliches ATP erzeugt.

Reaktionen

Die anaerobe Glykolyse unterscheidet sich überhaupt nicht von der aeroben Glykolyse, da sich der Begriff „anaerob“ eher auf das bezieht, was nach dem glykolytischen Weg geschieht, dh auf das Schicksal der Reaktionsprodukte und Zwischenprodukte.

Somit sind zehn verschiedene Enzyme an anaeroben Glykolyse-Reaktionen beteiligt, nämlich:

1-Hexokinase (HK): Verwendet ein ATP-Molekül für jedes Glucosemolekül. Es produziert Glucose-6-phosphat (G6P) und ADP. Die Reaktion ist irreversibel und erfordert Magnesiumionen.

2-Phosphoglucose-Isomerase (PGI): Isomerisiert G6P zu Fructose-6-phosphat (F6P).

3-Phosphofructokinase (PFK): Phosphoryliert F6P zu Fructose-1,6-Bisphosphat (F1,6-BP) unter Verwendung eines ATP-Moleküls für jedes F6P. Diese Reaktion ist ebenfalls irreversibel.

4-Aldolase: spaltet das F1,6-BP-Molekül und produziert Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP).

5-Triose-Phosphat-Isomerase (TIM): ist an der gegenseitigen Umwandlung von DHAP und GAP beteiligt.

6-Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH): Verwendet zwei Moleküle NAD ⁺ und 2 Moleküle anorganisches Phosphat (Pi) zur Phosphorylierung von GAP, ergibt 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) und 2 NADH.

7-Phosphoglyceratkinase (PGK): Produziert zwei ATP-Moleküle durch Phosphorylierung auf Substratebene von zwei ADP-Molekülen. Es verwendet als Phosphatgruppendonor jedes 1,3-BPG-Molekül. Produziert 2 Moleküle 3-Phosphoglycerat (3PG).

8-Phosphoglycerat-Mutase (PGM): Reorganisiert das 3PG-Molekül, um ein Zwischenprodukt mit höherer Energie, 2PG, herzustellen.

9-Enolase: Aus 2PG entsteht durch Dehydratisierung des ersteren Phosphoenolpyruvat (PEP).

10-Pyruvatkinase (PYK): Phosphoenolpyruvat wird von diesem Enzym zur Bildung von Pyruvat verwendet. Die Reaktion beinhaltet die Übertragung der Phosphatgruppe an Position 2 von Phosphoenolpyruvat auf ein ADP-Molekül. Für jede Glucose werden 2 Pyruvate und 2 ATP produziert.

Fermentationswege

Fermentation ist der Begriff, der verwendet wird, um anzuzeigen, dass Glucose oder andere Nährstoffe in Abwesenheit von Sauerstoff abgebaut werden, um Energie zu erhalten.

In Abwesenheit von Sauerstoff hat die Elektronentransportkette keinen Endakzeptor und daher tritt keine oxidative Phosphorylierung auf, die große Energiemengen in Form von ATP ergibt. NADH wird nicht auf mitochondrialem Weg reoxidiert, sondern auf alternativen Wegen, die kein ATP produzieren.

Ohne genügend NAD ⁺ stoppt der glykolytische Weg, da die Übertragung von Phosphat auf GAP eine gleichzeitige Reduktion dieses Cofaktors erfordert.

Einige Zellen haben alternative Mechanismen zur Bewältigung von Anaerobioseperioden, und diese Mechanismen beinhalten im Allgemeinen eine Art von Fermentation. Andere Zellen hingegen sind für ihren Lebensunterhalt fast ausschließlich auf fermentative Prozesse angewiesen.

Die Produkte der Fermentationswege vieler Organismen sind für den Menschen wirtschaftlich relevant; Beispiele sind die Produktion von Ethanol durch einige anaerobe Hefen und die Bildung von Milchsäure durch die zur Herstellung von Joghurt verwendeten Lactobakterien.

Milchsäureproduktion

Viele Arten von Zellen produzieren in Abwesenheit von Sauerstoff Milchsäure dank der Reaktion, die durch den Lactatdehydrogenasekomplex katalysiert wird, der die Kohlenstoffe von Pyruvat und das bei der Reaktion von GAPDH erzeugte NADH verwendet.

Milchfermentation (Quelle: Sjantoni über Wikimedia Commons)

Ethanolproduktion

Pyruvat wird durch Pyruvatdecarboxylase in Acetaldehyd und CO2 umgewandelt. Acetaldehyd wird dann von Alkoholdehydrogenase verwendet, die es reduziert, Ethanol produziert und ein Molekül NAD ⁺ für jedes auf diese Weise eintretende Pyruvatmolekül regeneriert .

Alkoholische Gärung (Quelle: Arobson1 über Wikimedia Commons)

Aerobe Gärung

Die anaerobe Glykolyse hat als Hauptmerkmal die Tatsache, dass die Endprodukte nicht wie bei der aeroben Glykolyse CO ₂ und Wasser entsprechen . Stattdessen werden typische Produkte von Fermentationsreaktionen erzeugt.

Einige Autoren haben einen Prozess der "aeroben Fermentation" oder aeroben Glykolyse von Glucose für bestimmte Organismen beschrieben, unter denen einige Parasiten der Trypanosomatidae-Familie und viele Krebstumorzellen hervorstechen.

In diesen Organismen wurde gezeigt, dass selbst in Gegenwart von Sauerstoff die Produkte des glykolytischen Weges Produkten von Fermentationswegen entsprechen, weshalb angenommen wird, dass eine „teilweise“ Oxidation von Glucose auftritt, da nicht die gesamte Energie extrahiert wird möglich von seinen Kohlenstoffen.

Obwohl die "aerobe Fermentation" von Glucose nicht das völlige Fehlen von Atmungsaktivität impliziert, da es sich nicht um einen Alles-oder-Nichts-Prozess handelt. Die Literatur gibt jedoch die Ausscheidung von Produkten wie Pyruvat, Lactat, Succinat, Malat und anderen organischen Säuren an.

Glykolyse und Krebs

Viele Krebszellen zeigen eine Zunahme der Glukoseaufnahme und des glykolytischen Flusses.

Tumore bei Krebspatienten wachsen schnell, so dass die Blutgefäße hypoxisch sind. Daher hängt die Energieergänzung dieser Zellen hauptsächlich von der anaeroben Glykolyse ab.

Dieses Phänomen wird jedoch durch einen durch Hypoxie induzierbaren Transkriptionsfaktor (HIF) unterstützt, der die Expression von glykolytischen Enzymen und Glucosetransportern in der Membran durch komplexe Mechanismen erhöht.

Verweise

1. Akram, M. (2013). Mini-Review zu Glykolyse und Krebs. J. Canc. Educ., 28, 454–457.
2. Bustamante, E. & Pedersen, P. (1977). Hohe aerobe Glykolyse von Rattenhepatomzellen in Kultur: Rolle der mitochondrialen Hexokinase. Proc. Natl. Acad. Sci., 74 (9), 3735–3739.
3. Cazzulo, JJ (1992). Aerobe Fermentation von Glucose durch Trypanosomatiden. The FASEB Journal, 6, 3153–3161.
4. Jones, W. & Bianchi, K. (2015). Aerobe Glykolyse: jenseits der Proliferation. Frontiers in Immunology, 6, 1–5.
5. Li, X., Gu, J. & Zhou, Q. (2015). Überprüfung der aeroben Glykolyse und ihrer Schlüsselenzyme - neue Ziele für die Lungenkrebstherapie. Thoraxkrebs, 6, 17–24.
6. Maris, AJA Van, Abbott, Æ. DA, Bellissimi, Æ. E., Brink, J. Van Den, Kuyper, Æ. M., Luttik, Æ. MAH, Pronk, JT (2006). Alkoholische Fermentation von Kohlenstoffquellen in Biomassehydrolysaten durch Saccharomyces cerevisiae: aktueller Stand. Antonie van Leeuwenhoek, 90, 391–418.
7. Nelson, DL & Cox, MM (2009). Lehninger Prinzipien der Biochemie. Omega Editions (5. Aufl.).