Glykolyse

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 9. Januar 2017
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Die Glykolyse beinhaltet beim Menschen und bei fast allen mehrzelligen Lebewesen einen biokatalytisch gesteuerten Abbau von Einfachzuckern wie der D-Glucose.

Der Ab- und Umbauprozess der Glucose zu Pyruvat erfolgt in zehn aufeinanderfolgenden Schritten und kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen gleichermaßen ablaufen.

Die Glykolyse dient der Energiegewinnung, und das Pyruvat liefert eine erste Vorstufe für die biochemische Synthese bestimmter Stoffe. Auch der Abbau höherwertiger Kohlenhydrate (Mehrfachzucker) durchläuft nach Aufspaltung in Einfachzucker die Glykolyse.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Glykolyse?

Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselprozess zum Abbau des Einfachzuckers D-Glucose und findet innerhalb der Zellen im Cytosol, dem flüssigen Anteil des Zellplasmas, statt. Der Abbauprozess erfolgt in 10 aufeinander folgenden enzymatisch gesteuerten Einzelschritten. Die Endprodukte der Gesamtbilanz aus der Glykolyse je Glucosemolekül sind 2 Pyruvat-Moleküle, 2 ATP-Nukleotide und 2 NADH-Nukleotide.

Die 10 Einzelschritte können in zwei Phasen unterteilt werden, die Vorbereitungsphase von Schritt 1 bis Schritt 5 und die Amortisationsphase von Schritt 6 bis 10. Die Vorbereitungsphase ist für den Stoffwechsel energetisch negativ, so dass Energie in Form von 2 ATP zugeführt werden muss. Erst die Amortisationsphase ist energetisch positiv, so dass sich per saldo ein Energiegewinn in Form von 2 ATP-Nukleotiden und 2 NADH-Nukleotiden ergibt.

In den ersten beiden Schritten der Glykolyse werden der Glucose je 2 Phosphatgruppen übertragen, die von 2 ATP-Nukleotiden (Adenosintriphosphat) stammen und die sich dadurch in ADP-Nukleotide (Adenosindiphosphat) umwandeln.

Während die Glykolyse bis zur Bildung des Pyruvats unabhängig davon ist ob oxische (aerobe) oder anoxische (anaerobe) Bedingungen herrschen, ist die weitere Verstoffwechselung des Pyruvats davon abhängig ob Sauerstoff zur Verfügung steht oder nicht. Allerdings gehören die weiteren Abbau- und Umsetzungsprozesse strenggenommen nicht mehr zur Glykolyse.

Funktion & Aufgabe

Die Glykolyse ist einer der wichtigsten und häufigsten zentralen Stoffwechselprozesse, die innerhalb einer Zelle ablaufen. Die Aufgabe und Funktion der Glykolyse besteht in der energetischen und stofflichen Metabolisierung des Einfachzuckers D-Glucose.

Als Energieträger und Energielieferant dient dabei das ATP, das im Rahmen des Energiestoffwechsels unter Zuführung von Energie und der Übertragung einer Phosphatgruppe auf ein ADP-Nukleotid gewonnen wird. Der Weg über das ATP hat den Vorteil, dass die Energie kurzzeitig gespeichert und nicht über Wärmeabgabe verloren geht. Außerdem kann das ATP über kurze Strecken an den Ort gebracht werden, an dem die Energie gerade benötigt wird.

Die energetisch positive Glykolyse stellt der Zelle zusätzlich das Pyruvat zur Verfügung. Es kann entweder unter „Verbrauch“ von Sauerstoff unter oxischen Bedingungen in den Mitochondrien der Zellen zur weiteren Energiegewinnung in den Citratzyklus und die anschließende Atmungskette eingeschleust werden oder als Ausgangsstoff für die Synthese benötigter Stoffe verwendet werden.

Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselprozess zum Abbau des Einfachzuckers D-Glucose und findet innerhalb der Zellen im Cytosol, dem flüssigen Anteil des Zellplasmas, statt.

Im Citratzyklus entstehen als Hauptabbauprodukte CO2 (Kohlendioxid) und H2O (Wasser). Die bei dem Oxidationsprozess frei werdende Energie wird in der Atmungskette zur Phosphorylierung von ADP zu ATP verwendet und damit für kurze Zeit gespeichert.

Der vollständige Abbau der Glucose zu Wasser und Kohlendioxid unter Zuführung von Sauerstoff ist zwar energetisch ergiebiger, hat aber den Nachteil, dass er nur unter oxischen Bedingungen stattfinden kann, also unter Bedingungen, unter denen molekularer Sauerstoff in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Bei geforderten Hochleistungen der Skelettmuskeln ist die Sauerstoffzufuhr in die Muskelzellen zu langsam, so dass sie die notwendige Energie aus der Glykolyse schöpfen müssen.

Ein weiterer Vorteil der Glykolyse liegt in seiner hohen Prozessgeschwindigkeit, die ein Vielfaches der Umsetzungsgeschwindigkeit innerhalb des Citratzyklus erreicht.

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Krankheiten & Beschwerden

Die Glykolyse verkörpert einen der evolutionsgeschichtlich ältesten und stabilsten Stoffwechselprozesse lebender Organismen. Wahrscheinlich wurde die Glykolyse als eine der Basisstoffwechselprozesse bereits vor 3,5 Milliarden Jahren herausgebildet, noch weit vor der Entwicklung mehrzelliger Lebewesen, weil alle Lebewesen zur Glykolyse fähig sind und sie zur Energiegewinnung nutzen.

Es sind nur wenige Störungen oder Krankheiten bekannt, die explizit ursächlich mit einer Störung der Glykolyse in Zusammenhang gebracht werden. Störungen im Ablauf der Glykolyse führen in erster Linie zu gravierenden Auswirkungen bei den roten Blutkörperchen (Erythrozyten).

Weil sie keine Mitochondrien enthalten, sind sie auf die Energiezufuhr durch Glykolyse angewiesen. Falls die Energiezufuhr gestört ist, kommt es zur Hämolyse, das heißt die Membranen der Erythrozyten lösen sich auf und das Hämoglobin geht direkt in das Serum über. In der Regel liegt ein Mangel des Enzyms Pyruvatkinase vor, so dass der Glykolyseprozess unterbrochen wird.

Eine andere Ursache, die zu ähnlichen Symptomen führt, kann in den Erythrozyten selbst begründet sein, wenn sie nicht ausreichend über das notwendige Enzym KKR (Isoenzym der Pyruvatkinase) verfügen.

Die Tarui-Krankheit (Morbus Tarui) ist eine der wenigen Krankheiten, die eine direkte Störung im Ablauf der Glykolyse bewirken. Es handelt sich um eine Glykogenspeicherkrankheit. Überschüssige Glucose im Blutserum wird vom Körper vorübergehend in polymere Zucker (Glykogen) umgewandelt, der später bei Bedarf wieder in Glucose zurückverwandelt wird, um über die Glykolyse verstoffwechselt (metabolisiert) zu werden.

Im Falle der Tarui-Krankheit kommt es aufgrund eines vererbten Gendefektes zu einem Mangel an Phosphofructokinase, einem Enzym, das die Phophorylierung und Umwandlung der Glucose in Fructose-1,6-biphosphat bewirkt (3. Schritt innerhalb der Glykolyse). Der Enzymmangel bewirkt eine Unterbrechung der Glykolyse, so dass die Skelettmuskeln nicht ordnungsgemäß mit Energie versorgt werden. Es kommt zu schmerzhaften Muskelkrämpfen und zu hämolytischer Anämie, zu Auflösungen der Membran der roten Blutkörperchen.

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