Was führt Glykolyse durch?

Die Glykolyse ist ein universeller Prozess unter den Lebensformen auf dem Planeten Erde. Von den einfachsten einzelligen Bakterien bis hin zu den größten Walen im Meer – alle Organismen – oder genauer gesagt jede ihrer Zellen – verwenden das Zuckermolekül aus sechs Kohlenstoffatomen Glucose als Energiequelle.

Glykolyse ist der Satz von 10 biochemischen Reaktionen, die als erster Schritt zum vollständigen Abbau von Glukose dienen. In vielen Organismen ist es auch der letzte und daher einzige Schritt.

Die Glykolyse ist die erste von drei Stufen der Zellatmung im taxonomischen Bereich (d. h. Lebensklassifikation) Eukaryoten (oder Eukaryoten), zu denen Tiere, Pflanzen, Protisten und Pilze gehören.

In den Domänen Bakterien und Archaea, die zusammen die meist einzelligen Organismen bilden, genannt Prokaryoten, Glykolyse ist die einzige Stoffwechselschau in der Stadt, da ihren Zellen die Maschinerie fehlt, um die Zellatmung vollständig durchzuführen.

Die Gesamtreaktion der einzelnen Schritte der Glykolyse ist:

C₆H₁₂Ö₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_ich → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 H₂Ö

In Worten bedeutet dies, dass Glucose, der Elektronenträger Nicotinamidadenindinukleotid, Adenosindiphosphat und anorganisches Phosphat (P_ich) verbinden sich zu Pyruvat, Adenosintriphosphat, die reduzierte Form von Nicotinamidadenindinukleotid und Wasserstoffionen (die als Elektronen angesehen werden können).

Beachten Sie, dass Sauerstoff in dieser Gleichung nicht vorkommt, weil Glykolyse kann ohne O. ablaufen₂. Dies kann zu Verwirrung führen, denn da die Glykolyse eine notwendige Vorstufe der aeroben Segmente von Zellatmung bei Eukaryoten ("aerob" bedeutet "mit Sauerstoff"), sie wird oft fälschlicherweise als aerob angesehen Prozess.

Glukose ist ein Kohlenhydrat, was bedeutet, dass seine Formel das Verhältnis von zwei Wasserstoffatomen für jedes Kohlenstoff- und Sauerstoffatom annimmt: C_neinH_2nÖ_nein. Es ist ein Zucker und speziell a Monosaccharid, was bedeutet, dass es nicht in andere Zucker gespalten werden kann, ebenso wie die Disaccharide Saccharose und Galaktose. Es enthält eine Ringform mit sechs Atomen, von denen fünf Atome Kohlenstoff sind und eines davon Sauerstoff ist.

Glukose kann im Körper als Polymer namens. gespeichert werden Glykogen, das nichts anderes ist als lange Ketten oder Schichten einzelner Glucosemoleküle, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind. Glykogen wird hauptsächlich in der Leber und in den Muskeln gespeichert.

Sportler, die bevorzugt bestimmte Muskeln benutzen (z.B. Marathonläufer, die auf ihren Quadrizeps und Wade angewiesen sind) Muskeln) passen sich durch Training an, um ungewöhnlich hohe Mengen an Glukose zu speichern, was oft als "Carbo-Loading" bezeichnet wird.

Adenosintriphosphat (ATP) ist die „Energiewährung“ aller lebenden Zellen. Das bedeutet, dass, wenn Nahrung verzehrt und in Glukose zerlegt wird, bevor sie in die Zellen eindringt, das Endziel des Glukosestoffwechsels ist: die Synthese von ATP, ein Prozess, der durch die Energie angetrieben wird, die freigesetzt wird, wenn die Bindungen in Glucose und die Moleküle, in die sie bei der Glykolyse umgewandelt werdeny und aerobe Atmung sind auseinandergebrochen.

Das durch diese Reaktionen erzeugte ATP wird für die grundlegenden, alltäglichen Bedürfnisse des Körpers verwendet, wie Gewebewachstum und -reparatur sowie körperliche Bewegung. Wenn die Trainingsintensität zunimmt, verschiebt sich der Körper weg von der Fettverbrennung oder Triglyceriden (über die Oxidation). von Fettsäuren) zur Verbrennung von Glukose, da bei letzterem Prozess mehr ATP pro Molekül gebildet wird Treibstoff.

Praktisch alle biochemischen Reaktionen sind auf die Hilfe von spezialisierten Proteinmolekülen angewiesen, die als Enzyme fortfahren.

Enzyme sind Katalysatoren, das heißt, sie beschleunigen Reaktionen – manchmal um den Faktor einer Million oder mehr –, ohne selbst in der Reaktion verändert zu werden. Sie werden normalerweise nach den Molekülen benannt, auf die sie wirken, und haben am Ende eine "-ase", wie beispielsweise "Phosphoglucose-Isomerase", die die Atome in Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat umlagert.

(Isomere sind Verbindungen mit gleichen Atomen, aber unterschiedlichen Strukturen, analog zu Anagrammen in der Welt der Wörter.)

Die meisten Enzyme bei menschlichen Reaktionen einer "eins-zu-eins"-Regel entsprechen, was bedeutet, dass jedes Enzym eine bestimmte Reaktion katalysiert, und umgekehrt, dass jede Reaktion nur von einem Enzym katalysiert werden kann. Dieses Maß an Spezifität hilft den Zellen, die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Menge der verschiedenen in der Zelle produzierten Produkte jederzeit genau zu regulieren.

Wenn Glukose in eine Zelle eindringt, wird sie als erstes phosphoryliert – das heißt, ein Phosphatmolekül wird an einen der Kohlenstoffe in der Glukose gebunden. Dies verleiht dem Molekül eine negative Ladung und fängt es effektiv in der Zelle ein. Diese Glucose-6-phosphat wird dann wie oben beschrieben isomerisiert in Fructose-6-Phosphat, das dann einen weiteren Phosphorylierungsschritt durchläuft, um zu Fructose-1,6-bisphosphat.

Jeder der Phosphorylierungsschritte beinhaltet die Entfernung eines Phosphats aus ATP, wodurch Adenosindiphosphat (ADP) hinter. Das bedeutet, dass, obwohl das Ziel der Glykolyse darin besteht, ATP für den Gebrauch der Zelle zu produzieren, sie mit „Startkosten“ von 2 ATP pro in den Zyklus eintretendem Glukosemolekül verbunden ist.

Fructose-1,6-bisphosphat wird dann in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle mit jeweils eigenem Phosphat gespalten. Einer von diesen, Dihydroxyacetonphosphat (DHAP), ist kurzlebig, da es sich schnell in das andere umwandelt, Glycerinaldehyd-3-phosphat. Von diesem Punkt an tritt also jede aufgeführte Reaktion tatsächlich zweimal für jedes Glukosemolekül auf, das in die Glykolyse eintritt.

Glyceraldehyd-3-phosphat wird umgewandelt in 1,3-Diphosphoglycerat durch Anlagerung eines Phosphats an das Molekül. Anstatt von ATP abgeleitet zu sein, existiert dieses Phosphat als freies oder anorganisches (d. h. ohne Bindung an Kohlenstoff) Phosphat. Zur gleichen Zeit, NAD⁺ wird in NADH umgewandelt.

In den nächsten Schritten werden die beiden Phosphate von einer Reihe von Drei-Kohlenstoff-Molekülen gestrippt und an ADP angehängt, um ATP zu erzeugen. Da dies zweimal pro ursprünglichem Glukosemolekül geschieht, werden in dieser „Payoff“-Phase insgesamt 4 ATP gebildet. Da die "Investitionsphase" eine Zufuhr von 2 ATP erforderte, beträgt der Gesamtgewinn an ATP pro Glucosemolekül 2 ATP.

Als Referenz sind nach 1,3-Diphosphoglycerat die Moleküle in der Reaktion 3-Phosphoglycerat, 3-Phosphoglycerat, Phosphoenolpyruvat und schlussendlich Pyruvat.

In Eukaryoten kann Pyruvat dann zu einem von zwei Post-Glykolyse-Wegen übergehen, abhängig davon, ob genügend Sauerstoff vorhanden ist, um die aerobe Atmung fortzusetzen. Wenn dies der Fall ist, was normalerweise der Fall ist, wenn der Elternorganismus sich ausruht oder leicht trainiert, Pyruvat wird aus dem Zytoplasma, wo die Glykolyse stattfindet, in Organellen ("kleine Organe") transportiert. namens Mitochondrien.

Wenn die Zelle zu einem Prokaryoten oder einem sehr fleißigen Eukaryoten gehört – sagen wir, ein Mensch, der eine halbe Meile läuft oder intensiv Gewichte hebt – wird Pyruvat in Laktat umgewandelt. Während in den meisten Zellen Laktat selbst nicht als Brennstoff verwendet werden kann, entsteht bei dieser Reaktion NAD⁺ von NADH, wodurch die Glykolyse "stromaufwärts" fortgesetzt werden kann, indem eine kritische Quelle für NAD. bereitgestellt wird⁺.

Dieser Vorgang ist bekannt als Milchsäuregärung.

Die aeroben Phasen der Zellatmung, die in Mitochondrien ablaufen, werden als. bezeichnet Krebs Zyklus und der Elektronentransportkette, und diese treten in dieser Reihenfolge auf. Das Krebs Zyklus (oft Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt) entfaltet sich in der Mitte der Mitochondrien, während die whereas Elektronentransportkette findet auf der Membran der Mitochondrien statt, die ihre Grenze zum Zytoplasma bildet.

Die Nettoreaktion der Zellatmung, einschließlich der Glykolyse, ist:

C₆H₁₂Ö₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

Der Krebs-Zyklus fügt 2 ATP und die Elektronentransportkette satte 34 ATP hinzu, was insgesamt 38 ATP pro vollständig verbrauchtem Glukosemolekül (2 + 2 + 34) in den drei Stoffwechselprozessen ergibt.