Was ist notwendig, damit die Glykolyse beginnt?

Glykolyse ist der Prozess der Energiegewinnung in Form von ATP (Adenosintriphosphat) aus dem aus sechs Kohlenstoffatomen bestehenden Zuckermolekül Glucose (C₆H₁₂Ö₆). Diese Serie von zehn Schnellfeuerreaktionen findet in allen Zellen der Natur statt. In einzelligen Organismen wie Bakterien ist es fast immer die einzige zelluläre Energiequelle.

Bei vielzelligen Organismen wie Tieren, Pflanzen und Pilzen, die über die zelluläre Ausrüstung verfügen, um Sauerstoff für ihre Reaktionen zu nutzen, ist die Glykolyse nur der erste Schritt der Zellatmung. Pro Glukosemolekül produziert die Zellatmung als Ganzes 36 bis 38 ATP, und Glykolyse allein produziert nur zwei ATP.

Nachdem ein Glukosemolekül durch die Zellmembran in eine Zelle diffundiert ist, wird es im Zuge der Umlagerung mit einem Paar Phosphatgruppen verbunden. Es wird dann in zwei Teile gespalten und die resultierenden identischen Drei-Kohlenstoff-Moleküle werden schließlich zu Pyruvat. Der Nettogewinn der Glykolyse beträgt zwei ATP.

Auf einer granulareren Ebene ist die Glykolyse die Gewinnung von Energie, die in den Bindungen von Glukosemolekülen für die Nutzung dieser Energie durch die Zelle, wobei die Kosten für das Glukosemolekül in etwas zerlegt werden sonst.

Die zehn verschiedenen Reaktionen der Glykolyse erfordern alle ihre eigenen spezialisierten Enzyme, das sind Proteine, die Reaktionen innerhalb von Zellen stark beschleunigen. Die Zelle kann die Geschwindigkeit der Glykolyse und damit die Geschwindigkeit der Energieverfügbarkeit steuern, indem sie bestimmte Enzyme mehr oder weniger verfügbar macht.

Zu Beginn der Glykolyse wird nur Glukose als Reaktant benötigt, aber auf dem Weg müssen zwei ATP bereitgestellt werden, um den Prozess zur Mitte zu bringen. Nachdem das Molekül gespalten ist, erfordert der Prozess eine stetige Zufuhr von NAD⁺ fortfahren.

Insbesondere ist Sauerstoff nicht für die Glykolyse benötigt, und wenn sie nicht vorhanden ist, kann die Glykolyse durch Fermentation in Gang gehalten werden. Dieser Prozess wandelt Pyruvat in Laktat um und liefert dabei das dringend benötigte NAD⁺ zur Glykolyse durch die Umwandlung von NADH₂.

Wenn Glukose in eine Zelle eindringt, wird sie phosphoryliert (d. h. ein Phosphat wird durch ein Enzym angehängt). Es wird dann in einen anderen Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen umgelagert, Fruktose. Dieses Molekül wird ein zweites Mal an einem anderen Kohlenstoffatom phosphoryliert, woraufhin die erste Phase der Glykolyse abgeschlossen ist.

Dies wird oft als bezeichnet "Investitionsphase" der Glykolyse, denn obwohl das Gesamtergebnis die Bereitstellung von Energie ist, muss die Zelle zunächst einen bescheidenen Verlust erleiden. Die zwei ATP, die in dieser Phase zur Bereitstellung von Phosphaten benötigt werden, sind somit eine Investition, die sich aber immer auszahlt.

Zu Beginn des sogenannten "Rückkehrphase", das zweifach phosphorylierte Fructosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen ist in zwei sehr ähnliche Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen mit jeweils eigener Phosphatgruppe gespalten; alles von einem wird schnell in das andere, Glyceraldehyd-3-phosphat, umgewandelt.

Die nun identischen Moleküle werden umgelagert und phosphoryliert und wieder einige Male zu Pyruvat (C₃H₄Ö₃). In den Endreaktionen, die NAD. erfordern⁺, geben die Zwillingsmoleküle ihre Phosphate im Namen von ATP ab, was bedeutet, dass in dieser Phase vier ATP produziert werden. Somit ergibt die Glykolyse insgesamt zwei ATP, nachdem die zwei in der ersten Phase "verbrauchten" ATP berücksichtigt wurden.

Am Ende sind die Produkte der Glykolyse Pyruvat, NADH₂, zwei freigesetzte Wasserstoffatome und ATP. Da das Ausgangsprodukt nur Glukose ist und ATP später erscheint, lautet die Gesamtgleichung für die Glykolyse:

C₆H₁₂Ö₆ + 2 ATP + 2 NAD + 2 C₃H₄Ö₃ + 4 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

Das Pyruvat gelangt dann zu den Mitochondrien für aerobe Atmung wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist (was beim Menschen meistens der Fall ist), aber im Zytoplasma für die Fermentation zu Laktat verbleibt, wenn der Sauerstoffgehalt nicht ausreicht.