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8.2: Was ist Glykolyse?
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What is Glycolysis?
 
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8.2: What is Glycolysis?

8.2: Was ist Glykolyse?

Overview

Cells make energy by breaking down macromolecules. Cellular respiration is the biochemical process that converts “food energy” (from the chemical bonds of macromolecules) into chemical energy in the form of adenosine triphosphate (ATP). The first step of this tightly regulated and intricate process is glycolysis. The word glycolysis originates from Latin glyco (sugar) and lysis (breakdown). Glycolysis serves two main intracellular functions: generate ATP and intermediate metabolites to feed into other pathways. The glycolytic pathway converts one hexose (six-carbon carbohydrate such as glucose), into two triose molecules (three-carbon carbohydrate) such as pyruvate, and a net of two molecules of ATP (four produced, two consumed) and two molecules of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH).

Elucidation of Glycolysis

Did you know that glycolysis was the first biochemical pathway discovered? In the mid-1800s, Louis Pasteur determined that microorganisms cause the breakdown of glucose in the absence of oxygen (fermentation). In 1897, Eduard Buchner found that fermentation reactions can still be carried out in cell-free yeast extracts, achieved by breaking open the cell and collecting the cytoplasm which contains the soluble molecules and organelles. Shortly thereafter in 1905, Arthur Harden and William Young discovered that the rate of fermentation decreases without the addition of inorganic phosphate (Pi) and that fermentation requires the presence of both a heat-sensitive component (later identified to contain a number of enzymes) and a low molecular weight, heat-stable fraction (inorganic ions, ATP, ADP and coenzymes like NAD). By 1940, with the effort of many individuals, the complete pathway of glycolysis was established by Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, et al. In fact, glycolysis is now known as the EMP pathway.

Destiny of Glucose

Glucose can enter cells in two ways: Facilitated diffusion via a group of integral proteins called GLUT (glucose transporter) proteins that shuttle glucose into the cytosol. Members of the GLUT protein family are present in specific tissues throughout the human body. Alternatively, secondary active transport moves glucose against its concentration gradient via a transmembrane symporter protein. The symporter uses the electrochemical energy from pumping an ion. Examples are the sodium-glucose linked transporters in the small intestine, heart, brain, and kidneys.

Under both aerobic (O2 rich) and anaerobic (O2 deficient) conditions, glycolysis can commence once glucose enters the cytosol of a cell. There are two main phases of glycolysis. The first phase is energy-requiring and is considered a preparatory step, trapping glucose in the cell and restructuring the six-carbon backbone so that it can be efficiently cleaved. The second phase is the pay-off phase, releasing energy and generating pyruvate.

Fate of Pyruvate

Depending on the oxygen level and presence of mitochondria, pyruvate may have one of two possible fates. Under aerobic conditions, with mitochondria present, pyruvate enters the mitochondria, undergoing the Citric Acid Cycle and the electron transport chain (ETC) to be oxidized to CO2, H2O, and even more ATP. In contrast, under anaerobic conditions (i.e., working muscles) or lack of mitochondria (i.e., prokaryotes), pyruvate undergoes lactate fermentation (i.e., is reduced to lactate in anaerobic conditions). Interestingly, yeast and some bacteria under anaerobic conditions can convert pyruvate to ethanol through a process known as alcohol fermentation.

Regulation of Glycolysis

Tight control and regulation of enzyme-mediated metabolic pathways, such as glycolysis, is critical for the proper functioning of an organism. Control is exerted by substrate limitation or enzyme-linked regulation. Substrate limitation occurs when the concentration of substrate and products in the cell are near equilibrium. Consequently, the availability of the substrate determines the rate of the reaction. In enzyme-linked regulation, the concentration of substrate and products are far away from the equilibrium. The activity of the enzyme determines the rate of reaction, which controls the flux of the overall pathway. In glycolysis, the three regulatory enzymes are hexokinase, phosphofructokinase, and pyruvate kinase.

Überblick

Zellen erzeugen durch den Abbau von Makromolekülen Energie. Die Zellatmung ist der biochemische Prozess, der Nahrungsenergie (aus den chemischen Bindungen der Makromoleküle) in chemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) umsetzt. Der erste Schritt dieses streng geregelten und komplexen Prozesses ist die Glykolyse. Das Wort Glykolyse stammt aus dem Lateinischen Glyco (Zucker) und lysis (Abbau). Die Glykolyse erfüllt zwei wesentliche intrazelluläre Funktionen: die Erzeugung von ATP und die Herstellung von Zwischenmetaboliten, welche in andere Stoffwechselwege eingespeist werden. Der glykolytische Zyklus wandelt eine Hexose (sechs Kohlenhydrate, wie Glucose) in zwei Triosemoleküle (drei Kohlenhydrate) wie Pyruvat und ein Netz aus zwei Molekülen ATP (vier produziert, zwei verbraucht) und zwei Molekülen Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) um.

Die Entdeckung der Glykolyse

Wussten Sie, dass die Glykolyse der erste gefundene biochemische Reaktionsweg war? Mitte der 1800er Jahre stellte Louis Pasteur fest, dass Mikroorganismen den Abbau von Glucose in Abwesenheit von Sauerstoff (Fermentation) bewirken. Eduard Buchner fand 1897 heraus, dass in zellfreien Hefeextrakten noch immer Gärungsreaktionen stattfanden. Dies wird durch Aufbrechen der Zelle und Sammeln des Cytoplasmas, das die löslichen Moleküle und Organellen enthält, erreicht. 1905 entdeckten Arthur Harden und William Young kurz darauf, dass die Geschwindigkeit der Gärung ohne die Zugabe von anorganischem Phosphat (Pi) abnimmt und dass die Gärung sowohl eine hitzeempfindliche Komponente (später identifiziert, um eine Anzahl von Enzymen zu enthalten) als auch eine niedermolekulare, hitzestabile Fraktion (anorganische Ionen, ATP, ADP und Coenzyme wie NAD) erfordert. Bis 1940 wurde der vollständige Reaktionsweg der Glykolyse durch Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, und viele weitere Wissenschaftler aufgedeckt. Tatsächlich ist die Glykolyse daher heute auch als EMP-Weg bekannt.

Das Schicksal der Glucose

Glucose kann auf zwei Arten in die Zellen gelangen. Zum einen kann sie über erleichterte Diffusion über eine Gruppe von Integralproteinen, die als GLUT (Glucose-Transporter) bezeichnet werden, in die Zelle gelangen. Mitglieder der GLUT-Proteinfamilie sind in bestimmten Geweben im gesamten menschlichen Körper vorhanden. Alternativ bewegt der sekundäre aktive Transport die Glucose gegen ihren Konzentrationsgradienten über ein Transmembran-Symporter-Protein. Der Symporter nutzt die elektrochemische Energie aus dem Pumpen eines Ions. Beispiele sind die Natrium-Glucose-verknüpften Transporter im Dünndarm, Herz, Gehirn und in den Nieren.

Unter sowohl aeroben (O2 reichen) als auch anaeroben (O2 mangelhaften) Bedingungen beginnt die Glykolyse, sobald Glucose in das Zytosol einer Zelle gelangt. Es gibt zwei Hauptphasen der Glykolyse. Die erste Phase ist energieaufwendig und gilt als vorbereitender Schritt. Bei ihm wird Glucose in der Zelle festgehalten und das Sechs-Kohlenstoff-Gerüst so umstrukturiert, dass es effizient gespalten werden kann. In der zweiten Phase wird dann Energie freigesetzt und Pyruvat erzeugt.

Schicksal des Pyruvats

Abhängig vom Sauerstoffgehalt und dem Vorhandensein von Mitochondrien kann das Pyruvat eines von zwei möglichen Schicksalen ereilen. Unter aeroben Bedingungen tritt das Pyruvat bei Vorhandensein von Mitochondrien in die Mitochondrien ein und durchläuft den Citratzyklus und die Elektronentransportkette (ETK). So wird es zu CO2, H2O und noch mehr ATP oxidiert. Im Gegensatz dazu wird Pyruvat unter anaeroben Bedingungen (beispielsweise bei arbeitenden Muskeln) oder bei fehlenden Mitochondrien (also bei Prokaryonten) einer Laktatgärung unterzogen. Pyruvat wird unter anaeroben Bedingungen also zu Laktat reduziert. Interessanterweise können Hefe und einige Bakterien unter anaeroben Bedingungen Pyruvat durch einen Prozess, der als Alkoholgärung bekannt ist, in Ethanol umwandeln.

Regulierung der Glykolyse

Die genaue Kontrolle und Regulierung enzymvermittelter Stoffwechselwege, wie z.B. der Glykolyse, ist für das ordnungsgemäße Funktionieren eines Organismus von entscheidender Bedeutung. Die Kontrolle wird durch die Begrenzung des Substrats oder die enzymatische Regulierung ausgeübt. Substratlimitierung tritt auf, wenn die Konzentration von Substrat und Produkten in der Zelle nahezu ausgeglichen ist. Folglich bestimmt die Verfügbarkeit des Substrats die Geschwindigkeit der Reaktion. Bei der enzymgebundenen Regulation sind die Konzentrationen von Substrat und Produkten weit vom Gleichgewicht entfernt. Die Aktivität des Enzyms bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit, die den Fluss des Gesamtpfades steuert. Bei der Glykolyse gibt es drei regulatorischen Enzyme :Hexokinase, Phosphofruktokinase und Pyruvatkinase.


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