Die Glykolyse nimmt in der Biochemie einen wichtigen Schwerpunkt ein. Für die medizinische Ausbildung ist das Wissen um die Energiegewinnung von großer Bedeutung. Das betrifft auch die Regulation eines Kohlenhydratmangels und des Überschusses. Aber auch die Bildung und Verwertung von Laktat spielt dabei eine wichtige Rolle. Ärzte, die Menschen mit Gewichtsproblemen, aber auch Sportler betreuen, haben im Alltag besonders viel damit zu tun. Die Glykolyse ist mehr als der Zuckerstoffwechsel. In allen Fachbereichen ist der Energiestoffwechsel ein wichtiges Thema. Hier erhalten Sie umfangreiches und prüfungsrelevantes Wissen über die Energiegewinnung beim Menschen.

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Schema der Glykolyse

Bild: “Schema der Glykolyse” von Roland Heynkes. Lizenz: CC BY-SA 3.0


Glykolyse – Aufspaltung von Glucose (Zucker)

Zunächst ist jede Zelle des Menschen mittels Glykolyse zur Energiegewinnung in der Lage. Diese Prozesse unterliegen natürlich einer Regulation. Dazu ist teilweise die Anwesenheit von Insulin erforderlich, das die Glucose in die Zellen transportiert. Einige Zellen können diese Aufnahme alleine leisten. Solche Prozesse laufen z. B. in der Leber, in lymphatischen Geweben und im ZNS ab.

Aber auch Erythrozyten sind in der Lage, Glucose ohne Insulin aufnehmen. Der gesamte Prozess der Glykolyse kann mit und ohne Sauerstoff ablaufen (Atmung und Gärung). Er ist außerdem in den meisten Teilschritten umkehrbar. Der gesamte Prozess läuft in insgesamt 10 Teilschritten ab. Davon sind immerhin 7 umkehrbar, was für die Glukoneogenese von Bedeutung ist. Diese 10 Schritte lassen sich in die Energieinvestitionsphase und die Energiegewinnungsphase unterteilen.

Ablauf Glykolyse

Bild: “Ablauf der Glykolyse: Ein Molekül Glucose wird zu zwei Molekülen Pyruvat umgesetzt, dabei werden zunächst zwei Moleküle ATP investiert. Im späteren Verlauf der Glykolyse werden vier Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH erzeugt. Abkürzungen: Glu-6-P = Glucose-6-phosphat Fru-6-P = Fructose-6-phosphat Fru-1,6-bP = Fructose-1,6-bisphosphat DHAP = Dihydroxyacetonphosphat GAP = Glycerinaldehyd-3-phosphat 1,3-bPG = 1,3-Bisphosphoglycerat 3-PG = 3-Phosphoglycerat 2-PG = 2-Phosphoglycerat PEP = Phosphoenolpyruvat Pyr = Pyruvat” von Yikrazuul. Lizenz: Gemeinfrei

Die Aufspaltung der Glucose

Glucose wird in Mol gemessen. Mol ist die Abkürzung für Molekulargewicht. Molare Masse ist eine andere korrekte Bezeichnung. Ein Mol ist etwa 6,022 · 1023 Teilchen eines Stoffes. Ein Teilchen ist ein Kernteilchen, das sich wiederum aus Protonen und Neutronen zusammensetzt. Bei der Glykolyse spaltet sich ein Mol Glucose in zwei Mol Pyruvat. Bei Pyruvat handelt es sich um eine Ableitung aus Pyruvatsäure. Pyruvatsäure kommt auch natürlich in einigen Nahrungsmitteln vor (Brenztraubensäure).

Die zehn Phasen der Glykolyse

  1. In Phase eins wird die Glucose phosphoryliert. Das Ergebnis ist Glucose-6-Phosphat.
  2. In der zweiten Phase wird aus dem Glucose-6-Phosphat Fruktose-6-Phosphat. An diesem Prozess ist das Enzym Phosphoglucoisomerase beteiligt.
  3. Das Ergebnis der dritten Phase ist Fruktose-1,6-biphosphat mit einer Phosphatgruppe an jedem Ende. Der Prozess verbraucht Energie (ATP). An diesem Prozess ist das Enzym Phosphofruktokinase beteiligt.
  4. In der vierten Phose erfolgt die eigentliche Aufspaltung. Durch das Enzym Aldolase. Es entstehen zwei C-3 Zucker (Triosen) und das Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP).
  5. In der fünften Phase wird das Enzym Isomerase aktiv und die beiden Triosen werden umgewandelt.

    Glykolyse Phase 1-5

    Bild: “The first half of glycolysis” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

  6. Phase sechs läuft unter der Beteiligung des Enzyms Triphosphat-Dehydrogenase. Bei der Katalyse wird GAP oxidiert (Die Elektronen werden auf NAD+ übertragen.). Das Ergebnis ist 1,3-Biphosphoglycerat.
  7. In der siebten Phase  wird mit dem Enzym Phosphoglyceromutase die noch gebundene Phosphatgruppe auf das ADP übertragen. Das Ergebnis ist 3-Phosphoglycerat. Dabei handelt es sich um eine Carbonsäure mit Carbonylgruppe.
  8. Der achte Schritt bringt mit Hilfe des Enzyms Phosphoglycermutase das 2-Phosphoglycerat hervor.
  9. Im neunten Schritt kommt das Enzym Enolase zum Einsatz. Es spaltet ein Wassermolekül ab und im Ergebnis ist Phosphoenolpyruvat, das sehr reaktionsfreudig ist.
  10. Im zehnten Schritt entsteht unter der Wirkung des Enzyms Pyruvatkinase das Pyruvat.

    Glykolyse Phase 6-10

    Bild: “The second half of glycolysis” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Die Skelettmuskulatur der Glykolyse

Skelettmuskeln brauchen ausreichend Sauerstoff, um Glucose zu Pyruvat abzubauen. Reicht die Sauerstoffversorgung nicht aus, z. B. weil der Bedarf gerade besonders hoch ist, kommt es zur anaeroben Glykolyse unter der Bildung von Laktat. Wenn Laktat gebildet wird, kommt es zum Verbrauch von NADH +H+, denn es würde durch seine hemmende Wirkung den Ablauf verhindern.

Die Glykolyse der Erythrozyten

Erythrozyten

Bild: “Erythrozyten decken ihren Energiebedarf ausschließlich aus der Glykolyse.” von Paul 012. Lizenz: Gemeinfrei

Auch in den Erythrozyten findet Glykolyse statt. Allerdings ist dieser Prozess nur ohne Sauerstoff möglich. Er ist also anaerob. Das liegt daran, dass die roten Blutkörperchen keine Mitochondrien haben, die die Voraussetzung für die Glykolyse mit Sauerstoffbeteiligung sind.

Erythrozyten sind dabei in der Lage, große Mengen von 2,3 Biphosphoglycerat zu produzieren. Das liegt daran, dass das 2,3 Biphosphoglycerat Cofaktor ist und gleichzeitig der Stabilisierung des Hämoglobinmoleküls dient. Das trägt zur Förderung der Sauerstoffabgabe bei.

Halten Menschen sich in großer Höhe auf, ist eine Höhenadaption notwendig. Dabei kommt es zu einer verstärkten Herstellung von 2,3 Biphosphoglycerat der Erythrozyten. Das führt dazu, dass weniger Energie produziert werden kann, weil keine energiereiche Bindung mehr enthalten ist.

Energiefreisetzung aus der Glykolyse

Damit Fruktose gebildet werden kann, ist pro Mol Glucose 2 Mol ATP erforderlich. Bei einer Glykolyse ohne Sauerstoff entstehen aus einem Mol Glucose somit 2 Mol ATP. Wenn Sauerstoff zur Verfügung steht, wird auch mehr Energie gewonnen. Das liegt daran, dass die Atmungskette in ihrer Vollständigkeit ablaufen kann. Aus der Phosphogylcerinaldehyd-Dehydrogenasereaktion stammt das NADH+H+, das nicht zur Umwandlung von Pyrovat in Laktat verwendet wird. Stattdessen erfolgt seine Oxidation in der Atmungskette.

Regulation der Glykolyse

Wie oben dargestellt sind für die Glykolyse viele Enzyme nötig. Dass sie überhaupt aktiv werden, ist wiederum von mehreren Faktoren abhängig, die alle zusammen den korrekten Ablauf der Glykolyse ermöglichen. Auf diese Weise wird der Prozess auch reguliert. Es gibt als sehr viele Abläufe, die auf die Glykolyse einwirken und sie so auch regulieren. Das gilt natürlich auch für die Pyruvatdehydrogenase, die als Folgeenzym der Glykolyse gilt.

Regulation Glykolyse

Bild: “Die Regulation der Glykolyse in der Übersicht. Effektoren, die die Hexokinase (HK), Phosphofructokinase-1 (PFK-1) beziehungsweise die Pyruvatkinase (PK) aktivieren, sind in grün hervorgehoben. Metabolite, die diese Enzyme inhibieren, sind in rot dargestellt.” von Yikrazuul. Lizenz: Gemeinfrei

Beim Enzym Hexokinase wirkt der Induktor Insulin. Induktor ist in der Biochemie die Bezeichnung für Substanzen, die dafür nötig sind, dass Genprodukte, zu denen auch Enzyme gehören, aktiviert werden und so für den Abbau anderer Substanzen zur Verfügung stehen. Bei der Hexokinase kommt der Prozess der Glykolyse durch ein Überangebot von Kohlenhydraten zustande. Natürlich gibt es auch hemmende Faktoren, um den Prozess wieder zu stoppen. Das ist in diesem Fall ein Mangel an Kohlenhydraten oder Glucose-6-P.

Beim Enzym Phosphofruktokinase ist der Induktor ebenfalls das Insulin. Die Aktivierung erfolgt auch durch einen Überschuss an Kohlenhydraten, aber auch Fruktose-6-P, AMP und ADP. Die Hemmung erfolgt durch Citrat, ATP und H+.

Beim Enzym 3-Phospho-glycerinaldehyd-Dehydrogenase ist der Induktor NAD+. NAD+ und ist zugleich auch der Aktivator. Eine Hemmung erfolgt durch NADH+H+.

Beim Enzym Pyruvatkinase ist wieder Insulin der Induktor. Für den aktivierenden Faktor ist der Überschuss von Kohlenhydraten bekannt. Die Hemmung erfolgt durch Alanin, ATP, Kohlenhydratmangel und Citrat.

Schließlich gehört auch das Enzym Pyruvatdehydrogenase zur Regulation der Glykolyse. Sie wird durch Kohlenhydratüberschuss aktiviert, wie auch ADP, Pyruvat und weitere. Die Hemmung erfolgt abermals durch einen Mangel an Kohlenhydraten, durch ATP, NADH + H+ und Acetyl-CoA. Die Aktivierung ist in diesem Fall etwas komplizierter. Das Pyruvat muss, bevor es Teil des Citratzyklus wird, in aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) umgewandelt werden. Dieser Prozess läuft in den Mitochondrien ab. Für die Regulation muss zwischen der aktiven Form und der inaktiven Form unterschieden werden, weil der Pyruvatdehydrogenasekomplex in einer aktiven und inaktiven Form existiert. Beide Formen sind reversibel. Für die Phosphorylierung ist ein inaktives Enzym nötig, für die Phosphatspaltung ein aktives Enzym. Als Induktoren für die aktive Form gelten neben Insulin auch Pyruvat, Mg2, ADP, CoA, NAD+. Bei der inaktiven Form sind es ATP, NADH+H+, Insulin und Acety-CoA.

Pathologie der Glykolyse

Zu den bekanntesten Störungen gehört der Diabetes, weshalb er in der Medizin einen Fachbereich einnimmt, der zunehmend an Bedeutung gewinnt. Inzwischen haben auch viele Kliniken eigene diabetologische Abteilungen und auch die Zahl der Facharztpraxen steigt.

Melliturie als Anzeichen für Diabetes

Für gewöhnlich darf kein Zucker im Harn nachweisbar sein. Die Nieren resorbieren den Zucker zuvor. Ist dennoch Zucker im Harn nachweisbar, ist von der Melliturie die Rede. Ursache ist der Diabetes. Es kann sich dabei um Diabetes mellitus oder auch den renalen Diabetes handeln.

In diesem Fall ist von der Glukosurie die Rede, die eine Form der Melliturie ist. Bei Diabetes mellitus ist die Konzentration des Insulins zu gering. Das hat zur Folge, dass die Glukose nicht mehr in die Zellen transportiert werden kann. Der Blutzuckerspiegel steigt stark an. Das führt dazu, dass die Nierenschwelle überschritten und die Glukose im Harn nachweisbar wird. Der renale Diabetes kennzeichnet sich durch die Ausscheidung von Glukose, ohne dass der Blutzuckerspiegel Auffälligkeiten zeigt. Die Ursache liegt in einer Erkrankung der Nieren.

Glykogenspeicherkrankheiten

Zu den Glykogenspeicherkrankheiten gehören die Von Gierkesche Krankheit  (Glykogenspeicherkrankheit Typ 1), die Forbesche Krankheit und die Mc-Ardlesche Krankheit.

Von Gierkesche Krankheit:
Bei der Von Gierkeschen Krankheit kommt es zu einem Mangel der Glukose-6-Phosphatase. Das führt zu deutlich erniedrigten Werten beim Nüchternblutzucker. Gleichzeitig wird mehr Zucker in der Leber gespeichert. Die Krankheit wird autosomal rezessiv vererbt.

Auffällig ist die stark vergrößerte Leber. Außerdem kommt es zu Entwicklungsstörungen. Zwischen den Mahlzeiten treten zudem schwere Hypoglykämien auf. Die Glykolyserate in der Leber ist deutlich erhöht. Weitere Symptome sind die Hyperurikämie und die Hyperlipämie. Auch eine Ketonurie tritt auf.

Forbesche Krankheit:
Die Forbesche Krankheit kennzeichnet sich durch einen Mangel an Amylo-1,6 Glucosidase in der Leber und den Muskeln. Der Mangel führt dazu, dass das Glykogen nicht mehr gespaltet werden kann und daher in den verzweigten Glykogenmolekülen abgelagert wird, wovon Leber und Muskeln betroffen sind.

Mc-Ardlesche Krankheit:
Die Mc-Ardlesche Krankheit geht mit einem Mangel an Phosphorylase einher. Die Folge ist, dass den Muskeln keine Glykogenreserven zur Verfügung stehen. Das Glykogen wird im Muskel gespeichert und es entsteht eine ausgeprägte Muskelschwäche. Die Erkrankung ist auch unter der Bezeichnung Morbus McArdle“ bekannt.

Muskelbiopsie mit Enzymhistochemie für Myophosphorylase

Bild: “Muskelbiopsie mit Enzymhistochemie für Myophosphorylase bei A: normaler Muskel und B: McArdle-Erkrankung (fehlende enzymatische Aktivität)” von rbescho. Lizenz: CC BY-SA 3.0 de

Ihr Entdecker war der Kinderarzt Brian McArdle. Ursache der Erkrankung ist ein Gendefekt eines Enzyms in der Skelettmuskulatur. Der Defekt wird autosomal rezessiv vererbt. Die ersten Symptome zeigen sich zumeist bei jungen Erwachsenen. Der Patient beobachtet, dass seine Muskulatur weniger belastbar ist. Auch Muskelschmerzen treten auf. Darüber hinaus werden die Muskeln steifer und es kommt zu Krämpfen.

Die Anzeichen treten bei Belastung auf, vor allem beim Sport. Solange die Belastung der Muskulatur nicht allzu stark ist, treten die Symptome nur gering auf. Kennzeichnend ist aber auch, dass die Patienten eine Verbesserung erfahren, wenn sie mit dem Auftreten der Anzeichen eine Pause einlegen. Oftmals kann der Sport im Anschluss ohne Beschwerden weiter betrieben werden. Ein weiteres mögliches Symptom ist dunkler Urin nach dem Sport, der durch Schäden an der Muskulatur ausgelöst wird (Myoglobinurie).

Hunger – Der Mangel an Kohlenhydraten

Hungerphasen kommen in unseren Kulturkreisen eher nicht vor. Das bedeutet nicht, dass der menschliche Organismus nicht in der Lage ist, solche Situationen zu meistern. Bis solche Fähigkeiten verloren gehen, können etliche 10.000 Jahre vergehen. Dabei gibt es durchaus Regionen, in denen diese Fähigkeiten bis heute wichtig für das Überleben ist. Die Kompensation von Hunger und Überschuss an Nährstoffen sind wichtige Schutzmechanismen.

Einige Gewebe sind auf die Versorgung mit Kohlenhydraten angewiesen, andere nicht. Zu denen, die sie nicht brauchen, gehören u.a. die Leber, aber auch Muskeln. In diesem Fall werden vorrangig Fettsäuren oxidiert. Die Rede ist entsprechend von der Fettsäure-Oxidation. Im Einzelfall bedeutet das, dass der Acetyl-CoA Spiegel steigt (die Pyruvatdehydrogenase wird gehemmt). Das führt dazu, dass der Citrat-Spiegel ansteigt (die Pyruvatkinase steigt). Das alles hat zur Folge, dass auch der Glucose-6-Phosphat-Spiegel ansteigt. Diese Konzentration hemmt die Hexokinase. Das führt seinerseits dazu, dass sich die Fettsäureoxidation verstärkt. Dabei kommt die Oxidation der Fettsäuren in den jeweiligen Organen sogar fast zum Erliegen.

Der Überschuss an Kohlenhydraten

Nicht nur ein Mangel, auch ein Überschuss an Kohlenhydraten muss kompensiert werden. Kohlenhydrate sind Ressourcen, die für Notzeiten gespeichert werden müssen. Was in den Industrienationen zu einer bedrohlichen Zahl von lebensverkürzenden Zivilisationserkrankungen führt, ist im Grunde ein lebenserhaltender Schutzmechanismus.

Liegt die Zufuhr von Kohlenhydraten über dem tatsächlichen Bedarf, erfolgt die Umwandlung in Fett. Wenn es dazu kommt, wird die Glykolyse verstärkt. Dieser Prozess wird durch die Aktivierung der Enzyme ausgelöst. Sie wiederum werden durch den Überschuss von Kohlenhydraten angeregt. In der Folge kommt es zu hohen Konzentrationen von Pyruvat, von Acetyl-CoA (bedingt durch die folgende Pyruvatdehydrogenasereaktion).

Gute Sauerstoffversorgung und schlechte Sauerstoffversorgung

Die aerobe Sauerstoffversorgung wird auch als aerobe Glykolyse bezeichnet. Dabei wird aus dem Pyruvat mithilfe einer chemischen Reaktion das Acetyl-CoA gebildet. CoA ist für sehr viele Prozesse des Stoffwechsels absolute Voraussetzung. Bei der sogenannten schlechten Sauerstoffversorgung, der anaeroben Glykolyse, wird nicht verwertbares Pyruvat unter dem Verbrauch von ADH+H+ zu Laktat.

Dieser Reaktion ist vor allem im Leistungssport von großer Bedeutung. In der Allgemeinmedizin haben daher Arzte, die Ausdauersportler betreuen, tendenziell häufiger mit aus dem anaeroben Stoffwechsel resultierenden Problemen zu tun. Erfahrene Sportler realisieren für gewöhnlich, wenn ihr Stoffwechsel vom aeroben auf den anaeroben Stoffwechsel „umschaltet“. In Trainingssituationen wird dieser Zustand dann auch bewusst herbeigeführt.

Beliebte Prüfungsfragen zur Glykolyse

Die Lösungen befinden sich unterhalt der Quellenangaben.

Welche Antworten treffen zu?

1. Mol…

  1. …bedeutet Moloaren.
  2. …bedeutet Molare Masse.
  3. …ist keine Abkürzung für Molekulargewicht.
  4. …dient zur Berechnung des Glucosebedarfs.
  5. …ist eine überaltete Messeinheit.

2. In den Erythrozyten…

  1. …leisten die Mitochondrien die Glykolyse.
  2. …ist die Glykolyse anaerob.
  3. …findet Glykolyse statt.
  4. …findet keine Glykolyse statt.
  5. …findet der Schwerpunkt der Glykolyse statt.

3. Die Glykolyse läuft in der Skelettmuskulatur…

  1. …nur aerob ab.
  2. …nur anaerob ab.
  3. …kommt gar nicht vor.
  4. …ist anaerob und aerob möglich.
  5. …erfolgt nur als Notmaßnahme.

Quellen

Glycolyse via Spektrum.de

T. Kreuzig: Kurzlehrbuch Biochemie, 12. Auflage – Elsevier, Urban&Fischer

Lösungen zu den Fragen: 1B, 2C, 3D

 

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