Glykolyse – Definition, Nutzen und Ablauf

Die Glykolyse ist ein energieliefernder Stoffwechselvorgang innerhalb der Zellen und der bedeutendste Abbauweg für Kohlenhydrate. Im engeren Sinn wird die Glykolyse zur Zellatmung gezählt und ist die Vorstufe von weiteren Stoffwechselvorgängen. Während der Glykolyse kommt es zum Glucoseabbau, also zum Zuckerabbau im Körper.

Die Glykolyse ist der primäre Stoffwechselvorgang innerhalb der Zellatmung. Dabei ist die Glykolyse essenziell für die Energiegewinnung im Körper. Der Ort, an dem die Glykolyse stattfindet, ist das Cytoplasma der Zellen.  

In der Zelle kann Glucose (Traubenzucker) kurzfristig als Glykogen zwischengespeichert werden. Um die gespeicherte Glucose für die Zelle verwertbar zu machen, muss zunächst der Abbau von Glykogen eingeleitet werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Glykogenolyse. Die Glykolyse ist ein anaerober Vorgang und benötigt somit keinen Sauerstoff. 

Das Ziel der Glykolyse ist es, Pyruvat, auch bekannt als Brenztraubensäure, zu generieren. Das Endprodukt der Glykolyse (Pyruvat) wird in nachfolgenden Schritten zu Acetyl-CoA umgewandelt und ist somit das ausschlaggebende Substrat für den Ablauf des Citratzyklus (Tricarbonsäurezyklus).

Der Ausgangsstoff der Glykolyse ist Glucose. Betrachtet wird der Vorgang immer pro Glucosemolekül. Damit aus der Glucose Energie gewonnen werden kann, muss zunächst Energie aufgewendet werden. Daher wird der Anfang der Glykolyse als Energieinvestitionsphase bezeichnet.

Zu Beginn kommt es zur Phosphorylierung von Glucose, indem eine freie Phosphatgruppe an Glucose gebunden wird. Dieser Vorgang wird durch das Enzym Hexokinase gesteuert und es entsteht Glucose-6-phosphat. Durch das Anhängen einer Phosphatgruppe wird Energie verbraucht, indem ATP (Adenosintriphosphat), durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe, zu ADP (Adenosindiphosphat) wird.

Das entstandene Glucose-6-phosphat wird infolge einer Isomerisierung zu Fructose-6-Phosphat umgewandelt. Hierbei wird nur die Ringstruktur des Moleküls verändert, ohne die Summenformel zu beeinträchtigen. Das verantwortliche Enzym ist die Glucose-6-phosphat-Isomerase.
Im nächsten Schritt wird erneut, unter ATP-Verbrauch, dem Fructose-6-Phosphat eine Phosphatgruppe angehängt. Dies wird durch das Enzym Phosphofructokinase ermöglicht und es entsteht Fructose-1,6-bisphosphat.

Das Produkt der nachfolgenden Reaktion ist abhängig davon, ob eine weitere Phosphatgruppe vorhanden ist oder nicht. Wenn kein Phosphat vorhanden ist, wird Dihydroxyacetonphosphat gebildet. Am Ende dieses Stoffwechselwegs entsteht ebenfalls Pyruvat, allerdings ohne die Bildung von ATP. Üblicherweise ist aber Phosphat vorhanden und Fructose-1,6-bisphosphat kann zu Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt werden. Das benötigte Enzym ist die Aldolase. Allerdings besteht die Möglichkeit, dass Dihydroxyacetonphosphat durch die Isomerase zu Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt wird.

Nach diesem Schritt beginnt die sogenannte Ertragsphase, in der Energie, in Form von ATP, generiert wird. Die Ertragsphase ist gekennzeichnet durch eine stufenförmige Phosphorylierung der Moleküle. Daher bezeichnet man diese auch als Substratkettenphosphorylierung.

Die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-Phosphat und die Aufnahme einer Phosphatgruppe lässt 1,3-Bisphosphoglycerat entstehen und es wird NADH+H⁺ gebildet. Verantwortlich dafür ist das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Isomerase.

Vom 1,3-Bisphosphoglyceratmolekül wird eine Phosphatgruppe durch das Enzym Phosphoglyceratkinase auf ADP übertragen und es entsteht das erste ATP-Molekül sowie 3-Phosphoglycerat.

3-Phosphoglycerat wird anschließend zu 2-Phosphoglycerat umgewandelt. Für diesen Vorgang wird das Enzym Phosphoglyceratmutase benötigt.
Anschließend wird ein Wassermolekül von 2-Phosphoglycerat durch das Enzym Enolase abgespalten und es entsteht Phosphoenolpyruvat.
Im letzten Schritt wird Phosphoenolpyruvat unter Abspaltung einer Phosphatgruppe zu Pyruvat umgewandelt. Dabei entsteht ein weiteres ATP-Molekül. Dieser Vorgang wird durch das Enzym Pyruvatkinase ermöglicht.

Das Schaubild der Glykolyse verdeutlicht noch einmal den Ablauf des Stoffwechselvorgangs.

Die Bilanz der Glykolyse kann als Energiebilanz und als Nettogleichung ausgedrückt werden.

Die Energiebilanz bezieht sich auf die aufgewendete und erhaltene Energie während der Glykolyse. In der Vorbereitungsphase werden zwei ATP-Moleküle benötigt, wodurch zunächst eine negative Energiebilanz entsteht. In der Ertragsphase werden 4 ATP-Moleküle und 2 NADH+H⁺ gebildet. Schlussendlich hat man einen Energiegewinn von 4 ATP und 2 NADH+H⁺.

– 2 ATP + 4 ATP + 2 NADH+H⁺ → 2 ATP + 2 NADH+H⁺

Im Gegensatz dazu zeigt die Nettogleichung der Glykolyse die normale Reaktionsgleichung der Glycolyse. Die Nettogleichung zeigt, dass ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat, zwei ATP-Molekülen und zwei Molekülen NADH+H⁺ umgewandelt wird.

Glucose + 2 Phosphat + 2 NAD⁺ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH+H⁺ + H₂O

Neben der Glucose kann der Körper natürlich auch andere Kohlenhydratformen verwerten. In Früchten liegen die Kohlenhydrate in Form der Fructose vor. Der Fructosestoffwechsel und somit der Abbau der Fructose führt zur Entstehung von Glycerinaldehyd-3-phosphat, das in der Energiegewinnungsphase der Glykolyse benötigt wird. Dieser Vorgang läuft dementsprechend auch unter anaeroben Bedingungen ab. 

Das Schlüsselenzym der Glykolyse ist die Aldolase, die für den Übergang von der Energieinvestitions- zur Energiegewinnungsphase benötigt wird.

Die Aufnahme von Kohlenstoff, in Form von Glucose, ist lebensnotwendig für jeden Organismus. Die Glykolyse ist der erste Schritt in der Zellatmung, in der die Glucose zu verwertbarer Energie umgewandelt wird. Somit kann die Glykolyse einfach erklärt werden.

Du bist nun mit dem Schema der Glykolyse und somit auch mit dem Abbau der Glucose vertraut. Da die Energiebilanz der Glykolyse immer gleich ist, kannst du sie dir auch ganz einfach merken. Du weißt nun auch, dass die Glykolyse kein aerober, sondern ein anaerober Stoffwechselvorgang ist.

Die nachfolgende Tabelle hilft dir, verschiedene Fachbegriffe besser einzuordnen, und kann dir beim Erstellen eines Lernzettels für die Glykolyse eine gute Hilfe sein.