Was bringt Glykolyse?

Lebewesen, die alle aus einer oder mehreren einzelnen Zellen bestehen, können unterteilt werden in Prokaryoten und Eukaryoten.

Praktisch alle Zellen verlassen sich auf Glucose für ihre metabolischen Bedürfnisse, und der erste Schritt beim Abbau dieses Moleküls ist die Reihe von Reaktionen, die als Glykolyse (wörtlich "Glukosespaltung"). Bei der Glykolyse durchläuft ein einzelnes Glucosemolekül eine Reihe von Reaktionen, um ein Paar Pyruvatmoleküle und eine bescheidene Energiemenge in Form von Adenosintriphosphat (ATP).

Die letztendliche Handhabung dieser Produkte variiert jedoch von Zelltyp zu Zelltyp. Prokaryontische Organismen beteiligen sich nicht an aerobe Atmung. Das bedeutet, dass Prokaryonten keinen molekularen Sauerstoff (O₂). Stattdessen durchläuft das Pyruvat Fermentation (anaerobe Atmung).

Einige Quellen umfassen die Glykolyse im Prozess der "Zellatmung" bei Eukaryoten, da sie direkt vor Aerobic Atmung (d. h. die Krebs Zyklus und oxidative Phosphorylierung im Elektronentransportkette

Da die Glykolyse jedoch a Voraussetzung der aeroben Atmung, da sie Pyruvat für deren Reaktionen liefert, ist es natürlich, beide Konzepte gleichzeitig zu lernen.

Glukose ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, der als das wichtigste einzelne Kohlenhydrat in der menschlichen Biochemie dient. Kohlenhydrate enthalten neben Sauerstoff auch Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H), und das Verhältnis von C zu H in diesen Verbindungen beträgt ausnahmslos 1:2.

Zucker sind kleiner als andere Kohlenhydrate, einschließlich Stärke und Zellulose. Tatsächlich ist Glucose oft eine sich wiederholende Untereinheit, oder Monomer, in diesen komplexeren Molekülen. Glucose selbst besteht nicht aus Monomeren und wird als solches als Monosaccharid ("ein Zucker") betrachtet.

Die Formel für Glukose ist C₆H₁₂Ö₆. Der Hauptteil des Moleküls besteht aus einem hexagonalen Ring, der fünf der C-Atome und eines der O-Atome enthält. Das sechste und letzte C-Atom liegt in einer Seitenkette mit einer hydroxylhaltigen Methylgruppe (-CH₂OH).

Der Prozess von Glykolyse, die in der Zelle stattfindet Zytoplasma, besteht aus 10 Einzelreaktionen.

Es ist in der Regel nicht erforderlich, sich die Namen aller Zwischenprodukte und Enzyme zu merken. Es ist jedoch nützlich, ein festes Gespür für das Gesamtbild zu haben. Dies liegt nicht nur daran, dass die Glykolyse vielleicht die wichtigste Reaktion in der Geschichte des Lebens auf der Erde ist, sondern auch, weil die Schritte veranschaulichen schön eine Reihe von häufigen Ereignissen in Zellen, einschließlich der Wirkung von Enzymen während exothermer (energetisch günstiger) Reaktionen.

Wenn Glucose in eine Zelle eindringt, wird sie vom Enzym Hexokinase angegriffen und phosphoryliert (d. h. eine Phosphatgruppe, oft mit Pi geschrieben, wird daran angehängt). Dadurch wird das Molekül im Inneren der Zelle gefangen, indem es mit einer negativen elektrostatischen Ladung versehen wird.

Dieses Molekül ordnet sich selbst in eine phosphorylierte Form von Fructose um, die dann einen weiteren Phosphorylierungsschritt durchläuft und zu Fructose-1,6-bisphosphat wird. Dieses Molekül wird dann in zwei ähnliche Drei-Kohlenstoff-Moleküle gespalten, von denen eines schnell in das andere umgewandelt wird, um zwei Moleküle Glyceraldehyd-3-phosphat zu ergeben.

Diese Substanz wird in ein anderes doppelt phosphoryliertes Molekül umgelagert, bevor die frühe Anlagerung von Phosphatgruppen in nicht aufeinanderfolgenden Schritten rückgängig gemacht wird. In jedem dieser Schritte wird ein Molekül Adenosindiphosphat (ADP) geschieht durch den Enzym-Substrat-Komplex (der Name für die Struktur, die durch das reagierende Molekül gebildet wird und das Enzym, das die Reaktion zum Abschluss bringt).

Dieses ADP nimmt von jedem der vorhandenen Drei-Kohlenstoff-Moleküle ein Phosphat an. Schließlich sitzen zwei Pyruvat-Moleküle im Zytoplasma, bereit für den Einsatz auf jedem Weg, den die Zelle benötigt oder beherbergen kann.

Der einzig wahre Reaktant der Glykolyse ist ein Glukosemolekül. Jeweils zwei Moleküle ATP und NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid, ein Elektronenträger) werden während der Reaktionsserie eingeführt.

Sie werden oft den vollständigen Prozess der Zellatmung mit Glukose und Sauerstoff als Reaktanten und Kohlendioxid und Wasser als Produkten zusammen mit 36 ​​(oder 38) ATP sehen. Die Glykolyse ist jedoch nur die erste Reihe von Reaktionen, die letztendlich in der aeroben Extraktion dieser viel Energie aus Glukose gipfeln.

Insgesamt vier ATP-Moleküle entstehen bei den Reaktionen der Drei-Kohlenstoff-Komponenten der Glykolyse – zwei bei der Umwandlung des Paares von 1,3-Bisphosphoglycerat-Molekülen in zwei Moleküle von 3-Phosphoglycerat und zwei während der Umwandlung eines Paares von Phosphoenolpyruvat-Molekülen in die beiden Pyruvat-Moleküle, die das Ende von darstellen Glykolyse. Diese werden alle durch Phosphorylierung auf Substratebene synthetisiert, was bedeutet, dass das ATP aus dem direkten Anlagerung von anorganischem Phosphat (Pi) an ADP und nicht als Folge anderer Prozess.

Zwei ATP werden früh in der Glykolyse benötigt, zuerst wenn Glucose zu Glucose-6-Phosphat phosphoryliert wird und dann zwei Schritte später, wenn Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat phosphoryliert wird. Somit beträgt der Nettogewinn an ATP bei der Glykolyse als Ergebnis eines Glukosemoleküls, das den Prozess durchläuft, zwei Moleküle, was man sich leicht merken kann, wenn man es mit der Anzahl der Pyruvatmoleküle verbindet erstellt.

Außerdem werden bei der Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat zwei Moleküle NAD+ auf zwei Moleküle. reduziert NADH, wobei letztere als indirekte Energiequelle dienen, weil sie unter anderem an den Reaktionen von aeroben Prozessen teilnehmen Atmung.

Kurz gesagt beträgt die Nettoausbeute der Glykolyse daher 2 ATP, 2 Pyruvat und 2 NADH. Das ist knapp ein Zwanzigstel der bei der aeroben Atmung produzierten ATP-Menge, aber weil Prokaryonten in der Regel viel kleiner weniger komplex als Eukaryoten, mit entsprechend geringerem Stoffwechselbedarf, kommen sie trotz dieser nicht idealen Lösung zurecht planen.

(Eine andere Sichtweise ist natürlich, dass das Fehlen von aerobe Atmung in Bakterien hat sie davon abgehalten, sich zu größeren, vielfältigeren Kreaturen zu entwickeln, was wirklich wichtig ist.)

Bei Prokaryoten hat der Organismus, sobald der Glykolyse-Weg abgeschlossen ist, fast jede metabolische Karte gespielt, die er hat. Das Pyruvat kann über zu Laktat verstoffwechselt werden Fermentationoder anaerobe Atmung. Der Zweck der Fermentation besteht nicht darin, Laktat zu produzieren, sondern NAD+ aus NADH zu regenerieren, damit es in der Glykolyse verwendet werden kann.

(Beachten Sie, dass dies anders ist als Alkoholgärung, bei dem aus Pyruvat unter Einwirkung von Hefe Ethanol hergestellt wird.)

In Eukaryoten tritt der größte Teil des Pyruvats in die ersten Schritte der aeroben Atmung ein: den Krebs-Zyklus, auch Tricarbonsäure-Zyklus (TCA) oder Zitronensäure-Zyklus genannt. Dies geschieht innerhalb der Mitochondrien, wobei das Pyruvat in die Zwei-Kohlenstoff-Verbindung Acetyl-Coenzym A (CoA) und Kohlendioxid (CO₂).

Die Rolle dieses achtstufigen Zyklus besteht darin, mehr hochenergetische Elektronenträger für nachfolgende Reaktionen zu erzeugen – 3 NADH, ein FADH₂ (reduziertes Flavinadenindinukleotid) und ein GTP (Guanosintriphosphat).

Wenn diese in die Elektronentransportkette auf der Mitochondrienmembran eintreten, verschiebt ein Prozess namens oxidative Phosphorylierung die Elektronen von diesen hochenergetische Träger zu Sauerstoffmolekülen, wobei das Endergebnis die Produktion von 36 (oder möglicherweise 38) ATP-Molekülen pro Glucosemolekül "stromaufwärts" ist.

Die weitaus höhere Effizienz und Ausbeute des aeroben Stoffwechsels erklärt im Wesentlichen alle grundlegenden Unterschiede heute zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, wobei der erstere vorausgegangen ist und der vermutlich zu dem letztere.