Vorbereitungsphase: von Glucose zu den Triosephosphaten
Die ersten fünf Schritte der Glykolyse: wie Glucose mit zwei ATP aktiviert, in zwei Triosephosphate gespalten und zu Glycerinaldehyd-3-phosphat ausgeglichen wird.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Vorbereitungsphase der Glykolyse umfasst die fünf Schritte von Glucose bis zu zwei Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat und verbraucht zwei ATP.
- Hexokinase (in der Leber Glucokinase) phosphoryliert Glucose mit \(\ce{ATP}\) an C-6 zu Glucose-6-phosphat und \(\ce{ADP}\).
- Die Phosphofructokinase phosphoryliert Fructose-6-phosphat mit \(\ce{ATP}\) zu Fructose-1,6-bisphosphat und ist als allosterisch reguliertes Enzym der Schrittmacher der Glykolyse.
- Die cytoplasmatische Aldolase spaltet Fructose-1,6-bisphosphat reversibel an einer C–C-Bindung in DHAP und D-Glycerinaldehyd-3-phosphat.
- Die Triosephosphat-Isomerase stellt das Gleichgewicht zwischen DHAP und GAP ein, sodass beide C3-Hälften weiterverwertet werden.
Worum es geht
Die Glykolyse beginnt mit einer Investition: Zwei ATP aktivieren die Glucose, bevor der C6-Körper in zwei C3-Körper zerfällt. Diese Vorbereitungsphase enthält das wichtigste Regulationsenzym des Glucoseabbaus, die Phosphofructokinase. Wer die Schritte mit Enzymen und Produkten kennt, versteht auch Gluconeogenese und Stoffwechselregulation.
Hexokinase und Glucokinase
Im ersten Schritt überträgt die Hexokinase die endständige Phosphatgruppe von ATP auf die Hydroxygruppe an C-6 der Glucose. Es entstehen Glucose-6-phosphat und ADP.
\[\text{Glucose} + \ce{ATP} \xrightarrow{\text{Hexokinase}} \text{Glucose-6-phosphat} + \ce{ADP}\]
Das Enzym ist eine Kinase, also eine Transferase für Phosphatgruppen. Als Cosubstrat dient gezielt ATP, genauer sein Komplex mit \(\ce{Mg^2+}\). Beliebige andere Nucleosidtriphosphate nutzt die Hexokinase nicht als Donor. Pyridoxalphosphat braucht die Reaktion nicht, denn dieses Coenzym gehört zur Transaminierung.
Glucose-6-phosphat ist die aktivierte Form der Glucose. In dieser Form tritt sie in die Glykolyse ein. Die geladene Phosphatgruppe hält das Molekül zudem in der Zelle, weil die Glucosetransporter es nicht mehr befördern. In der Leber katalysiert die Glucokinase dieselbe Phosphorylierung. Sie hat eine geringere Affinität zu Glucose und arbeitet vor allem bei hohem Blutzucker. Auch sie phosphoryliert nur: Isomerisierung und Spaltung übernehmen die folgenden Enzyme.
Die Kinase-Reaktion in der Haworth-Projektion erkennen
An einem Reaktionsschema erkennst du die Hexokinase-Reaktion an drei Merkmalen:
- Der Pyranosering bleibt erhalten, Ringgröße und Stellung der OH-Gruppen ändern sich nicht.
- Nur die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe an C-5, also C-6, wird zum Phosphatester \(\ce{-CH2-O-PO3^2-}\).
- Am Pfeil steht ATP, das zu ADP wird. Das kennzeichnet eine Kinase.
Wird dagegen aus dem Sechsring ein Fünfring, liegt eine Isomerisierung vor. Tauchen Wasser und freies Phosphat auf, handelt es sich um die Hydrolyse durch eine Phosphatase.
Phosphofructokinase
Zunächst lagert die Glucose-6-phosphat-Isomerase die Aldose in die Ketose Fructose-6-phosphat um. Aus dem Pyranosering wird ein Furanosering. Dieser Schritt ist frei umkehrbar.
Dann phosphoryliert die Phosphofructokinase (PFK) Fructose-6-phosphat an C-1. Wieder liefert ATP die Phosphatgruppe. Fructose-6-phosphat ist dabei der Akzeptor und nicht der Donor. Produkt ist Fructose-1,6-bisphosphat, ein echtes Zwischenprodukt der Glykolyse.
\[\text{Fructose-6-phosphat} + \ce{ATP} \xrightarrow{\text{PFK}} \text{Fructose-1,6-bisphosphat} + \ce{ADP}\]
Diesen Schritt katalysiert allein die PFK, nicht die Hexokinase. Die PFK spaltet ihr Produkt auch nicht, das übernimmt erst die Aldolase.
Fructose-1-phosphat ist kein Zwischenprodukt der Glykolyse. Es entsteht nur beim Abbau freier Fructose in der Leber. In der Glykolyse folgt auf Fructose-6-phosphat direkt Fructose-1,6-bisphosphat.
Schrittmacher der Glykolyse
Die PFK-Reaktion ist praktisch irreversibel. Sie ist der erste Schritt, der nur noch in die Glykolyse führt. Deshalb sitzt hier die Bremse. Die PFK ist allosterisch reguliert: Effektoren binden außerhalb des aktiven Zentrums und verändern die Aktivität. Man kann sie sich wie einen Thermostaten vorstellen, der die Energielage der Zelle misst.
| Effektor | Wirkung auf PFK | Signal |
|---|---|---|
| ATP in hoher Konzentration | hemmt | Energie reichlich vorhanden |
| Citrat | hemmt | Citratzyklus ausgelastet |
| AMP, ADP | aktivieren | Energiemangel |
| Fructose-2,6-bisphosphat | aktiviert stark | Signal für Glucoseabbau (tierische Zellen) |
Besonders prüfungsrelevant ist, dass die allosterisch regulierte PFK und nicht die Hexokinase die Geschwindigkeit der Glykolyse maßgeblich bestimmt.
Aldolase
Mit zwei Phosphatgruppen ist das Molekül bereit zur Spaltung. Die Aldolase trennt die C–C-Bindung zwischen C-3 und C-4 des Fructose-1,6-bisphosphats. Aus einem C6-Körper werden zwei C3-Körper.
Die Aldolspaltung ist die Umkehrung der Aldoladdition. Eine β-Hydroxycarbonylverbindung zerfällt zwischen α- und β-C-Atom in zwei Carbonylverbindungen. In Fructose-1,6-bisphosphat sitzt die Ketogruppe an C-2, die β-ständige OH-Gruppe an C-4.
Die Produkte sind Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) aus C-1 bis C-3 und D-Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) aus C-4 bis C-6. DHAP ist eine Ketose, GAP eine Aldose. GAP übernimmt das C-5 der D-Fructose mit seiner Konfiguration, deshalb entsteht die D-Form. Beide sind Triosephosphate, also phosphorylierte Zucker mit drei C-Atomen.
\[\text{Fructose-1,6-bisphosphat} \rightleftharpoons \text{DHAP} + \text{D-Glycerinaldehyd-3-phosphat}\]
Wird im Examen gerne gefragt: Die Aldolase liefert DHAP und D-GAP, also zwei verschiedene Triosephosphate und nicht zwei Moleküle GAP. Achte zusätzlich auf die D-Form des GAP, die Reversibilität und den Ort Cytoplasma.
In Pflanzen und Tieren bindet ein Lysinrest des Enzyms die Ketogruppe als Schiff-Base. Ein Metallion braucht diese Aldolase nicht, Eisen ist nicht als Cofaktor beteiligt. Anders als die Thiolyse der β-Oxidation kommt die Spaltung ohne Coenzym A aus. Es wird nichts oxidiert und kein \(\ce{CO2}\) frei, anders als bei der oxidativen Decarboxylierung. ATP entsteht hier noch nicht.
Die Aldolase arbeitet im Cytoplasma, auch in Pflanzenzellen. In der Mitochondrienmatrix kommt sie nicht vor. Die Reaktion ist reversibel. Deshalb nutzt die Gluconeogenese dasselbe Enzym und verknüpft DHAP und GAP wieder zu Fructose-1,6-bisphosphat.
Triosephosphat-Isomerase
Nur GAP kann die Glykolyse direkt fortsetzen. Die Triosephosphat-Isomerase (TIM) stellt deshalb das Gleichgewicht zwischen DHAP und GAP ein. Sie verschiebt die Carbonylgruppe über ein Endiol von C-2 nach C-1. Aus der Ketose wird so die Aldose.
\[\text{DHAP} \rightleftharpoons \text{D-Glycerinaldehyd-3-phosphat}\]
Im Gleichgewicht überwiegt DHAP deutlich. Das nächste Enzym zieht GAP aber ständig ab. Dadurch fließt DHAP laufend nach, und aus einer Glucose entstehen zwei GAP. Beide Triosephosphate sind \(\ce{C3}\)-Zwischenprodukte der Glykolyse. Anders als die Aldolase spaltet die TIM nichts, sie lagert nur um. Die weiteren Umsetzungen von GAP bis Pyruvat katalysieren die Enzyme der Ertragsphase.
Zwei Kinasen, zwei ATP: Hexokinase an C-6 der Glucose, PFK an C-1 des Fructose-6-phosphats. Danach spaltet die Aldolase, die TIM gleicht aus, und am Ende stehen zwei GAP.
Quiz
Aussage 1
Bei der Phosphofructokinase-Reaktion gibt Fructose-6-phosphat eine Phosphatgruppe an ADP ab.
Fructose-6-phosphat ist Akzeptor. ATP liefert die Phosphatgruppe, Produkt ist Fructose-1,6-bisphosphat.
Aussage 2
Die Hexokinase überträgt eine Phosphatgruppe von ATP auf C-6 der Glucose, dabei entsteht ADP.
Hexokinase ist eine Kinase: Glucose + ATP ergibt Glucose-6-phosphat + ADP.
Aussage 3
Die Phosphofructokinase wird durch hohe ATP-Konzentrationen gehemmt und durch AMP aktiviert.
Die PFK ist allosterisch reguliert und misst so die Energielage der Zelle. Sie bestimmt maßgeblich die Glykolysegeschwindigkeit.
Aussage 4
In Pflanzenzellen findet die Aldolase-Reaktion der Glykolyse in der Mitochondrienmatrix statt.
Die Aldolase arbeitet im Cytoplasma und dient dort Glykolyse und Gluconeogenese.
Aussage 5
Bei der Aldolspaltung von Fructose-1,6-bisphosphat wird ATP gewonnen.
Die Aldolspaltung liefert kein ATP. ATP entsteht erst in der Ertragsphase.
Aussage 6
Die Aldolase zerlegt Fructose-1,6-bisphosphat in zwei Moleküle D-Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Die Spaltprodukte sind verschieden: Dihydroxyacetonphosphat und D-Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Aussage 7
Die Triosephosphat-Isomerase wandelt Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat reversibel ineinander um.
TIM stellt das Gleichgewicht zwischen den beiden \(\ce{C3}\)-Zwischenprodukten ein.
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