Grundstoffwechsel

Glykolyse: Überblick, Ort und Endprodukt

Die Glykolyse baut Glucose im Cytosol aller Zellen zu zwei Molekülen Pyruvat ab, mit und ohne Sauerstoff.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Glykolyse ist der erste Abbauweg der Glucose und setzt ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat um, mit netto 2 ATP und 2 NADH.
  • Pyruvat ist das Endprodukt, Brenztraubensäure seine Säureform. PEP ist das letzte Zwischenprodukt, Acetyl-CoA entsteht erst danach in den Mitochondrien.
  • Die Glykolyse läuft im Cytosol ab, nicht membrangebunden und nicht in Mitochondrien, und kommt in Pro- und Eukaryoten vor.
  • Sie läuft aerob und anaerob über dieselben Schritte und liefert bis zum Pyruvat jeweils gleich viel ATP, unabhängig von einer Atmungskette.
  • Pyruvatcarboxylase (Pyruvat zu Oxalacetat) und PEP-Carboxykinase (Oxalacetat zu PEP) gehören zur Gluconeogenese, Oxalacetat ist kein Glykolyse-Zwischenprodukt.

Worum es geht

Die Glykolyse ist die erste Stufe des Glucoseabbaus und kommt in praktisch allen Zellen vor. Sie liefert ATP auch ohne Sauerstoff. Deshalb können Erythrocyten ohne Mitochondrien ihren Energiebedarf allein aus Glucose decken.

Glucoseabbau im Überblick

Die Zelle zerlegt Glucose in mehreren Stufen. Am Anfang steht immer die Glykolyse. Ihr Produkt Pyruvat ist eine Weiche des Stoffwechsels. Erst danach entscheidet sich, ob die Zelle Glucose vollständig zu \(\ce{CO2}\) oxidiert oder nur vergärt.

📖 Definition: Glykolyse

Abbauweg, der ein Molekül Glucose (C6) in zehn enzymatischen Schritten zu zwei Molekülen Pyruvat (C3) umsetzt. Dabei entstehen netto 2 ATP und 2 NADH.

Der Weg gliedert sich in zwei Phasen. In der Vorbereitungsphase investiert die Zelle 2 ATP. Glucose wird zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert, das in zwei Triosephosphate zerfällt. In der Ertragsphase werden beide Triosephosphate zu Pyruvat umgesetzt. Dabei entstehen 4 ATP und 2 NADH, netto also 2 ATP.

Flussschema von Glucose über Fructose-1,6-bisphosphat und zwei Triosephosphate zu zwei Pyruvat, mit ATP- und NADH-Bilanz und Verzweigung zu Acetyl-CoA, Lactat und Ethanol.

Die Glykolyse in zwei Phasen: Investition von ATP, Spaltung in C3-Körper, Ertrag bis zum Pyruvat und dessen Weiterverwertung.

Was mit Pyruvat geschieht, hängt vom Sauerstoff ab. Aerob gelangt es in die Mitochondrien und wird zu Acetyl-CoA decarboxyliert. Dieses speist den Citratzyklus, dessen Reduktionsäquivalente die Atmungskette nutzt. Auch die vollständige aerobe Oxidation von Glucose führt also zuerst durch die Glykolyse. Anaerob reduziert die Zelle Pyruvat in der Gärung zu Lactat oder über Acetaldehyd zu Ethanol.

Endprodukt Pyruvat

Die Glykolyse endet beim Pyruvat. Aus 1 mol Glucose entstehen 2 mol Pyruvat, weil das C6-Gerüst in zwei C3-Hälften gespalten wird. Die Gesamtgleichung lautet:

\[\ce{C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P_i -> 2 CH3COCOO- + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O}\]

Das oxidierte Coenzym NAD+ nimmt dabei Wasserstoff auf. Pyruvat ist eine α-Ketosäure mit drei C-Atomen. Brenztraubensäure ist die protonierte Säureform desselben Moleküls. Ihr pKa liegt bei etwa 2,5. Bei physiologischem pH liegt sie daher fast vollständig als Anion vor, also als Pyruvat.

Strukturformeln von Brenztraubensäure, Pyruvat-Anion und Phosphoenolpyruvat nebeneinander.

Brenztraubensäure und Pyruvat sind Säure und Anion desselben Moleküls; PEP trägt zusätzlich eine Enolphosphatgruppe.

Viele Stoffe liegen nah am Pyruvat. Man muss sie sauber als Zwischen- oder Folgeprodukt einordnen. Phosphoenolpyruvat (PEP) sieht dem Pyruvat ähnlich, trägt aber noch eine Enolphosphatgruppe. Erst die Pyruvatkinase überträgt dieses Phosphat auf ADP und setzt Pyruvat frei.

Stoff Stellung Wo er auftritt
Glycerinaldehyd-3-phosphat, Dihydroxyacetonphosphat Zwischenprodukte (Triosephosphate) nach der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat
Phosphoenolpyruvat letztes Zwischenprodukt Substrat der Pyruvatkinase
Pyruvat Endprodukt 2 je Glucose, im Cytosol
Acetyl-CoA Folgeprodukt, an der Glykolyse unbeteiligt aerob, PDH-Komplex in der Mitochondrienmatrix
Acetaldehyd Folgeprodukt alkoholische Gärung, Decarboxylierung von Pyruvat
Lactat Folgeprodukt Milchsäuregärung
🎯 Examensrelevant: Endprodukt der Glykolyse

Endprodukt der Glykolyse ist Pyruvat, und zwar 2 mol je mol Glucose. Dieser Examensklassiker verlangt eine saubere Grenze: PEP ist der letzte Schritt davor, Acetyl-CoA entsteht erst danach in den Mitochondrien.

Ort und Bedingungen

Alle zehn Enzyme der Glykolyse liegen gelöst im Cytosol. Der Weg ist nicht an Biomembranen gebunden. In den Mitochondrien findet er nicht statt. Erst das fertige Pyruvat wird durch die Mitochondrienmembranen in die Matrix transportiert.

Zellschema mit markiertem Cytosol für die Glykolyse und einem Mitochondrium mit Matrix und innerer Membran.

Glykolyse im Cytosol, oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus in der Matrix, Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran.

Die Glykolyse ist ein sehr alter Stoffwechselweg. Sie läuft in Prokaryoten und Eukaryoten ab, also in Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen. Auch der letzte Schritt von PEP zu Pyruvat ist deshalb nicht auf Bakterien beschränkt.

Sauerstoff braucht die Glykolyse nicht. Sie läuft aerob wie anaerob über dieselben Schritte. Ihr ATP entsteht durch Substratkettenphosphorylierung, also unabhängig von einer Atmungskette. Der Abbau bis zum Pyruvat liefert daher unter beiden Bedingungen unmittelbar gleich viel Energie, netto 2 ATP. Man kann sich die Glykolyse wie ein Notstromaggregat vorstellen, das immer läuft. Unterschiedlich ist nur, wie die Zelle das gebildete NADH wieder zu NAD+ oxidiert: aerob über die Atmungskette, anaerob durch Gärung.

⚠️ Achtung: Aerob heißt nicht mitochondrial

Auch bei Anwesenheit von Sauerstoff bleibt die Glykolyse im Cytosol. „Aerob“ betrifft nur das Schicksal von Pyruvat und NADH, die dann in den Mitochondrien weiterverwertet werden.

Abgrenzung von der Gluconeogenese

Die Gluconeogenese baut Glucose aus Pyruvat auf. Sie nutzt viele Glykolyseschritte in Gegenrichtung. Der Schritt der Pyruvatkinase ist jedoch praktisch irreversibel. Die Zelle umgeht ihn über einen Umweg mit zwei eigenen Enzymen.

Zuerst carboxyliert die Pyruvatcarboxylase Pyruvat ATP-abhängig zu Oxalacetat. Sie trägt Biotin als Cofaktor und ist auch eine anaplerotische Reaktion:

\[\ce{Pyruvat + HCO3- + ATP -> Oxalacetat + ADP + P_i}\]

Danach decarboxyliert und phosphoryliert die PEP-Carboxykinase Oxalacetat zu PEP:

\[\ce{Oxalacetat + GTP -> PEP + CO2 + GDP}\]

Reaktionsschema mit PEP, Pyruvat und Oxalacetat, Pfeilen für Pyruvatkinase, Pyruvatcarboxylase und PEP-Carboxykinase.

Am Pyruvat-Ende trennen sich die Wege: direkter Glykolyseschritt und Umgehung über Oxalacetat in der Gluconeogenese.

Beide Reaktionen gehören zur Gluconeogenese, nicht zur Glykolyse. Folglich ist Oxalacetat kein Zwischenprodukt der Glykolyse. Es tritt im Citratzyklus und in der Gluconeogenese auf. Ähnlich steht es mit Glyoxylat, das zum Glyoxylatzyklus von Pflanzen und Bakterien gehört.

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Aussage 1

Die ATP-abhängige Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat ist ein Teilschritt der Glykolyse.

Diese Reaktion der Pyruvatcarboxylase gehört zur Gluconeogenese und füllt als anaplerotische Reaktion den Citratzyklus auf.

Aussage 2

Die Enzyme der Glykolyse sind an der inneren Mitochondrienmembran gebunden.

Die Glykolyse-Enzyme liegen gelöst im Cytosol. An der inneren Mitochondrienmembran sitzt die Atmungskette.

Aussage 3

Der Abbau von Glucose zu Pyruvat liefert unter anaeroben Bedingungen unmittelbar genauso viel ATP wie unter aeroben.

Die Glykolyse folgt in beiden Fällen denselben Schritten und bildet netto 2 ATP durch Substratkettenphosphorylierung.

Aussage 4

Beim Abbau von 1 mol Glucose in der Glykolyse entstehen 2 mol Pyruvat.

Das C6-Gerüst wird in zwei C3-Einheiten gespalten, die beide zu Pyruvat umgesetzt werden.

Aussage 5

Brenztraubensäure ist die protonierte Säureform des Pyruvats.

Es handelt sich um dasselbe Molekül. Bei physiologischem pH liegt es wegen des pKa von etwa 2,5 als Anion Pyruvat vor.

Aussage 6

Phosphoenolpyruvat ist das Endprodukt der Glykolyse.

PEP ist das letzte Zwischenprodukt. Die Pyruvatkinase überträgt sein Phosphat auf ADP, Endprodukt ist Pyruvat.

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