Was ist Glykolyse? Wo die Glykolyse stattfindet, Definition und Schritte des Glykolysepfades.
Lernziele
- Lernen Sie die Wege des Glukoseabbaus und der Oxidation kennen
- Finden Sie heraus, wie der Glukosestoffwechsel zur Energieproduktion der Zellen beiträgt
- Erfahren Sie, wie der Glukosestoffwechsel mit dem Alterungsprozess zusammenhängt
- Entdecken Sie, wie der Glukosestoffwechsel unterstützt werden kann
Was ist Glykolyse?
Glykolyse ist der Stoffwechselweg, der das Kohlenhydrat Glukose abbaut, um Zellenergie in Form von ATP zu erzeugen. Die Glykolyse erzeugt ATP direkt, als Produkt der chemischen Reaktionen des Stoffwechselwegs, und indirekt, indem sie die Energie nutzt, die durch die aus den chemischen Bindungen der Glukose entnommenen Elektronen entsteht. Diese Elektronen werden durch das Molekül NAD zur mitochondrialen Elektronentransportkette transportiert, wo sie zur Erzeugung von ATP durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) verwendet werden.
In diesem Artikel werden wir diese Prozesse genauer untersuchen. Zuvor ist es jedoch wichtig, einige Begriffe zu wiederholen, die uns helfen zu verstehen, was Glykolyse ist und welche Rolle sie im Zellstoffwechsel spielt.
Glykolyse ist ein Weg des Zellstoffwechsels
Metabolismus ist die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die das Leben erhalten. Dazu gehören diejenigen, die es uns ermöglichen, Energie aus der Nahrung zu gewinnen und diese Energie zur Synthese von Molekülen zu nutzen, die für die Zellaktivität benötigt werden. Der Stoffwechsel wird in zwei Arten von Prozessen unterteilt: 1) den Katabolismus, d. h. die abbauenden Wege, die große Moleküle in kleinere Moleküle zerlegen und dabei die in den chemischen Bindungen gespeicherte Energie freisetzen, und 2) den Anabolismus, d. h. die aufbauenden Wege der Biosynthese, die große Moleküle aus kleineren Molekülen aufbauen und die Zellenergie in ihren chemischen Bindungen speichern. Das bedeutet, dass der Abbau der Nahrung zur Energiegewinnung durch katabole Reaktionen erfolgt, während die Synthese der komplexen Zellmoleküle aus einfacheren Einheiten durch anabole Reaktionen erfolgt.
Die in der Nahrung enthaltene Energie steht den Zellen nicht ohne weiteres zur Verfügung und muss durch Stoffwechselreaktionen in eine Energieform umgewandelt werden, die die Zellen nutzen können. Diese Form ist ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), „die Energiewährung der Zelle“, die allen biologischen Systemen gemeinsam ist. ATP wird für alle möglichen biologischen Funktionen in allen Arten von Zellen und Geweben verwendet, z. B. für die Muskelkontraktion oder die Aufrechterhaltung der neuronalen Aktivität.
Der Stoffwechsel ist die Summe der miteinander verbundenen energieaufwendigen und energieverbrauchenden Prozesse, die das Leben aufrechterhalten.
Die Gesamtheit der Stoffwechselreaktionen, durch die Energie aus Nährstoffen gewonnen wird, um ATP zu erzeugen, wird Zellatmung genannt. Bei der Atmung wird Sauerstoff (O2) verbraucht und Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und Wärme erzeugt. Energie wird aus Nährstoffen durch eine Art chemischer Reaktion gewonnen, die als Redoxreaktion bezeichnet wird (aus Reduktion – Gewinn von Elektronen + Oxidation – Verlust von Elektronen). Bei Redoxreaktionen werden Elektronen (die elektrisch geladenen Teilchen, die die Atomkerne umkreisen) von einem Molekül (das oxidiert wird) auf ein anderes (das reduziert wird) übertragen. Daher sagt man, dass bei der Zellatmung die Nährstoffe oxidiert werden, um Zellenergie in Form von ATP zu erzeugen.
Glukose, die aus dem Abbau von Kohlenhydraten gewonnen wird, und Fettsäuren, die aus dem Abbau von Triglyceriden (Fetten) gewonnen werden, sind die wichtigsten Brennstoffe, die die Zellen zur Erzeugung von ATP verwenden; Aminosäuren, die aus dem Abbau von Proteinen gewonnen werden, werden ebenfalls verwendet, allerdings in geringerem Umfang.
Die Zellatmung erfolgt in drei Hauptstufen. In der ersten werden die Brennstoffmoleküle oxidiert, um zwei Kohlenstofffragmente in Form der Acetylgruppe des Acetyl-Coenzyms A (Acetyl-CoA) zu erhalten. In der zweiten Phase werden die Acetylgruppen in den Mitochondrien im Zitronensäurezyklus oxidiert, wobei Elektronen auf die Elektronenträger Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD), das von Vitamin B3 abhängig ist, und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), das von Vitamin B2 abhängig ist, übertragen werden. In der dritten Stufe der Atmung werden die Elektronen über die Elektronentransportkette (ETC) in den Mitochondrien auf den Sauerstoff übertragen, wobei ihre Energie zur Herstellung von ATP durch einen Prozess namens oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) verwendet wird.
Die Glykolyse ist Teil der ersten Stufe der Zellatmung: Sie ist der Weg, auf dem Glukose oxidiert wird. Die Glykolyse erzeugt das Molekül Pyruvat, das dann in Acetyl-CoA umgewandelt wird, um in der zweiten Stufe der Zellatmung verwendet zu werden.
Die Zellatmung ist wie eine sehr langsame Verbrennungsreaktion: Sie verbrennt Brennstoffe, um Energie zu erzeugen, verbraucht dabei Sauerstoff und setzt Kohlendioxid und Wärme frei.
Abbildung 1: Metabolische Extraktion und Speicherung von Energie aus der Nahrung. Quelle: OpenStax, Anatomie und Physiologie; 24.1 Überblick über die Stoffwechselreaktionen. Lizenz CC BY 4.0.
Was ist Glukose? Warum ist die Glykolyse wichtig?
Glukose ist ein Kohlenhydrat. Kohlenhydrate sind eine Art von Biomolekülen, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen und zu denen Zucker, Stärke und Zellulose gehören. Genauer gesagt ist Glukose ein Monosaccharid, die einfachste Form des Zuckers und die grundlegendste Art von Kohlenhydraten.
Wir erhalten Glukose aus der Nahrung durch den Abbau komplexer Kohlenhydrate wie Stärke, die aus mehreren bis vielen miteinander verbundenen Monosaccharid-Einheiten bestehen (d. h. Polysaccharide). Glukose erhalten wir auch durch den Abbau von einfacheren Nahrungszuckern wie Disacchariden (die aus zwei Monosaccharid-Einheiten bestehen), zu denen beispielsweise Saccharose oder Laktose gehören. Andere Monosaccharide, wie Fruktose oder Galaktose, können ebenfalls zur Energiegewinnung genutzt werden, müssen aber zunächst in andere Moleküle umgewandelt werden, die im Glukosestoffwechselweg verwendet werden können.
Die Glykolyse ist wichtig, weil sie der Stoffwechselweg ist, über den Glukose zelluläre Energie erzeugt. Glukose ist die wichtigste Energiequelle für alle lebenden Organismen. Im menschlichen Körper ist Glukose der bevorzugte Brennstoff für die große Mehrheit der Zellen: Sie ist der einzige Brennstoff, den die roten Blutkörperchen verwenden können, der bevorzugte Brennstoff für das Gehirn, wenn es nicht hungert, und der Hauptbrennstoff für die Muskeln bei anstrengender Bewegung.
Glukose ist so wichtig, dass unser Körper über mehrere Mechanismen verfügt, um den Blutzuckerspiegel relativ konstant zu halten, damit das Gehirn immer ausreichend mit Glukose versorgt ist. Nach einer Mahlzeit steigert der Anstieg des Blutzuckerspiegels die Freisetzung des Bauchspeicheldrüsenhormons Insulin, das wiederum die Glukoseaufnahme in das Gewebe, vor allem in die Leber und die Skelettmuskulatur, und die Speicherung von Glukose in Form von Glykogen anregt. Zwischen den Mahlzeiten erhöht ein Rückgang des Blutzuckerspiegels die Freisetzung des Bauchspeicheldrüsenhormons Glukagon, das wiederum den Abbau der Glykogenspeicher in Glukose und deren Freisetzung in das Blut anregt. Die Glykogenspeicher werden auch mobilisiert, wenn Glukose zur Unterstützung körperlicher Aktivität verwendet wird.
Glukose, ein Kohlenhydrat, ist die wichtigste Energiequelle für die meisten Zellen. Sein Blutspiegel wird relativ konstant gehalten, um eine gleichmäßige Versorgung des Gehirns zu gewährleisten.
Glukose wird in der Glykolyse oxidiert, um ATP zu erzeugen
Die Glykolyse findet in der flüssigen Matrix der Zellen (dem Zytosol) in einer Abfolge von zehn Reaktionen statt, die in zwei Phasen unterteilt sind. In der ersten Stufe wird die Glukose (die sechs Kohlenstoffe hat) in zwei Dreikohlenstofffragmente gespalten, wobei ATP verbraucht wird, um die Glukose für den Abbau vorzubereiten. In der zweiten Phase wird jedes Dreikohlenstofffragment in einem Prozess, der ATP erzeugt, zu einem Molekül namens Pyruvat oxidiert.
Die bei den Oxidationsreaktionen gewonnenen Elektronen werden auf NAD+ übertragen, ein Redoxmolekül, das Elektronen zur mitochondrialen Elektronentransportkette (ETC) transportiert, um durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) mehr ATP zu erzeugen.
Abbildung 2: Glykolyse. Quelle: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
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Glykolyse ist der Stoffwechselweg, der Glukose abbaut, um ATP zu erzeugen.
Die erste Stufe der Glykolyse verwendet ATP
Glukose kann leicht durch Membrantransporter in die Zellen ein- und austreten. Eine einfache strukturelle Veränderung reicht jedoch aus, um sie in den Zellen zu halten und zu verstoffwechseln: das Hinzufügen einer chemischen Struktur, die Phosphorylgruppe genannt wird (ein Phosphoratom mit drei angehängten Sauerstoffatomen), in einer Reaktion, die als Phosphorylierung bekannt ist. Die Glykolyse beginnt mit genau dieser Reaktion: Sie phosphoryliert Glukose und hält sie in den Zellen fest.
Die Phosphorylierung der Glukose wird von einem Enzym namens Hexokinase durchgeführt, das eine Phosphorylgruppe aus dem ATP entnimmt und auf die Glukose überträgt, wodurch Glukose-6-phosphat entsteht (siehe Schritt 1 in Abbildung 3) . Hexokinase gehört zu einer Familie von Enzymen, die als Kinasen bezeichnet werden (das ist die Klassifizierung von Enzymen, die ein Substrat unter Verwendung einer Phosphorylgruppe aus ATP oder umgekehrt phosphorylieren). Alle Kinase-Enzyme benötigen Magnesium für ihre Aktivität. Daher spielt Magnesium bei dieser Reaktion eine wichtige Rolle. In der Tat spielt Magnesium eine Schlüsselrolle bei der Glykolyse im Allgemeinen, da es ein Cofaktor für alle Kinasen ist, die an diesem Weg beteiligt sind. Einer der Hauptgründe, warum Qualia Life (früher Eternus genannt) Magnesium enthält, ist die Unterstützung der Glykolyse-Reaktionen.
In den nächsten Schritten der Glykolyse wird Glukose-6-Phosphat in Fruktose-6-Phosphat umgewandelt (Schritt 2, Abbildung 3), das wiederum phosphoryliert wird, um Fruktose-1,6-Bisphosphat zu erhalten (Schritt 3, Abbildung 3). Diese zweite Phosphorylierung wird von einer anderen Kinase (Phosphofructokinase) unter Verwendung eines weiteren ATP-Moleküls und Magnesium als Kofaktor durchgeführt. Dieses Sechs-Kohlenstoff-Molekül wird dann in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle gespalten (Schritt 4, Abbildung 3), die unterschiedlich, aber untereinander umwandelbar sind (Schritt 5, Abbildung 3); die Glyceraldehyd-3-phosphat-Form wird in der zweiten Stufe der Glykolyse verwendet.
Abbildung 3: Die erste Stufe der Glykolyse. Quelle: OpenStax, Biologie; 7.2 Glykolyse.
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Die erste Stufe der Glykolyse verwendet ATP, um Glukose für den Abbau vorzubereiten; es ist eine Investition von ATP, die sich auszahlen wird.
Die zweite Stufe der Glykolyse erzeugt ATP
Die erste Reaktion der zweiten Stufe wandelt Glyceraldehyd-3-phosphat in 1,3-Bisphosphoglycerat um (Schritt 6, Abbildung 4) . Diese Reaktion umfasst zwei gekoppelte Prozesse: eine Oxidation und eine Addition von Phosphat. Bei der Oxidationsreaktion werden dem Glyceraldehyd-3-phosphat zwei Elektronen entzogen, die auf das Redoxmolekül NAD+ (abgeleitet von Vitamin B3) übertragen werden, wodurch es zur NADH-Form reduziert wird. Im nächsten Schritt wird 3-Phosphoglycerat durch eine weitere Kinase (Phosphoglyceratkinase, mit Magnesium als Kofaktor) unter gleichzeitiger Produktion von ATP hergestellt (Schritt 7, Abbildung 4). Qualia Life unterstützt diese Reaktionen durch die Zufuhr von Magnesium und Vitamin B3 in Form von Niacinamid und Nicotinsäure .
In den nächsten beiden Schritten wird 3-Phosphoglycerat umgelagert (Schritt 8, Abbildung 4) und dann dehydriert (Schritt 9, Abbildung 3), um Phosphoenolpyruvat zu bilden. Im letzten Schritt der Glykolyse wird Phosphoenolpyruvat in Pyruvat umgewandelt und ein weiteres ATP-Molekül wird durch die Pyruvatkinase unter Verwendung von Magnesium als Kofaktor hergestellt (Schritt 10, Abbildung 4).
In der zweiten Stufe werden aus jeder Drei-Kohlenstoff-Einheit zwei ATP-Moleküle erzeugt, was bedeutet, dass jedes Glukosemolekül vier ATP-Moleküle ergibt. Da in der ersten Stufe der Glykolyse zwei ATP-Moleküle verwendet werden, um die Glukose für den Abbau vorzubereiten, ist das Nettoergebnis der Glykolyse die Produktion von zwei ATP-Molekülen pro Glukosemolekül.
Dieser Mechanismus der ATP-Produktion wird als Phosphorylierung auf Substratebene bezeichnet. Er nutzt die chemische Energie, die bei der Umwandlung eines energiereichen Substrats in ein energieärmeres Produkt freigesetzt wird, um die Übertragung einer Phosphorylgruppe zur Herstellung des energiereichen Moleküls ATP anzutreiben. Die Phosphorylierung auf Substratebene ist eine schnellere, aber weniger effiziente Quelle für ATP. Außerdem wird dabei ein NAD+ verbraucht, das zu NADH wird. Wie wir in Teil 4 dieser Serie sehen werden, wird das meiste ATP durch oxidative Phosphorylierung erzeugt, und das NAD+ wird während dieser letzten Phase der Zellatmung zurückgewonnen.
Abbildung 4: Die zweite Hälfte der Glykolyse. Quelle: OpenStax, Biologie; 7.2 Glykolyse.
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Die zweite Stufe der Glykolyse erzeugt Pyruvat, NADH und ATP; das Nettoergebnis der Glykolyse ist die Produktion von zwei ATP-Molekülen pro Glukosemolekül, jedoch auf Kosten von einem NAD+.
Das in der Glykolyse erzeugte Pyruvat liefert in den Mitochondrien Acetyl-CoA
Die Glykolyse liefert nur einen Bruchteil des ATP, das bei der vollständigen Oxidation von Glukose erzeugt werden kann. Das liegt daran, dass die in der Glykolyse entstandenen Pyruvatmoleküle noch weiter oxidiert werden können. Der überwiegende Teil der ATP-Produktion findet in den folgenden Wegen der Energiegewinnung in der Zelle, dem Zitronensäurezyklus und der OXPHOS, statt.
Während die Glykolyse im Zytosol stattfindet, finden der Zitronensäurezyklus und die OXPHOS in den Mitochondrien statt. Daher wird Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, in die Mitochondrien transportiert, wo es in zwei Kohlenstofffragmente – Acetyleinheiten – und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt wird. Bei dieser Reaktion, die von einer Gruppe von Enzymen, dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, durchgeführt wird, werden die aus dem Pyruvat gewonnenen Elektronen auf NAD+ übertragen und zu NADH reduziert. Acetyleinheiten werden auf Coenzym A (CoA, abgeleitet von Pantothensäure, d. h. Vitamin B5) übertragen, um Acetyl-CoA zu bilden, das Molekül, das zwei Kohlenstoffeinheiten in den Zitronensäurezyklus einspeist, wo sie weiter oxidiert werden. Die aus jeder Acetyleinheit gewonnenen Elektronen werden dann zur Erzeugung von ATP durch OXPHOS verwendet.
Abbildung 5: Pyruvat-Oxidation. Quelle: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
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Die mitochondriale Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA ist das Bindeglied zwischen der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus. Dies ist eine wichtige Reaktion, die mehrere Kofaktoren erfordert: CoA (abgeleitet von Pantothensäure), NAD+ (synthetisiert aus Verbindungen mit Vitamin B3-Aktivität oder unter Verwendung von L-Tryptophan als Substrat und Vitamin B6 als Cofaktor), FAD+ (Flavin-Adenin-Dinukleotid, abgeleitet von Vitamin B2, z. B. Riboflavin), das Coenzym Thiaminpyrophosphat (abgeleitet von Vitamin B1, z. B. Thiamin) und Liponsäure .
Qualia Life unterstützt diese Reaktionen durch die Zufuhr von Niacinamid und Nicotinsäure (Vitamin B3) , Riboflavin (Vitamin B2) , Pantothensäure (Vitamin B5) , Thiamin HCl (Vitamin B1) , Pyridoxal-5′-Phosphat (Vitamin B6) , Liponsäure , L-Tryptophan und Magnesium .
Pyruvat wird in den Mitochondrien in Acetyl-CoA umgewandelt; dieser Schritt verbindet die Glykolyse mit dem Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung. Dieser Schritt kostet eine NAD+-Einheit (die später wiedergewonnen wird).
Das in der Glykolyse produzierte NADH erzeugt ATP in den Mitochondrien
NAD+ ist ein Redoxmolekül, das Elektronen zur mitochondrialen Elektronentransportkette (ETC) transportiert, um ATP durch OXPHOS zu erzeugen. Bei der Oxidation jedes Glukosemoleküls zu Acetyl-CoA werden vier NAD+-Moleküle verwendet, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen und zur NADH-Form werden. Da NAD+ ein zentrales Element bei der ATP-Produktion ist, ist es wichtig, dass die Zellen einen Pool von NAD+ bereithalten, um Elektronen aufzunehmen.
Qualia Life enthält eine Reihe von Inhaltsstoffen, die die Auffüllung des NAD+-Pools in den Zellen unterstützen. Dazu gehören Traubenproanthocyanidine (in Traubenextrakt, BioVin®) , Resveratrol (in Traubenextrakt, BioVin®) , Coenzym Q10 und Liponsäure.
NADH transportiert Elektronen zur mitochondrialen Elektronentransportkette, um ATP durch oxidative Phosphorylierung zu erzeugen. Dabei wird NAD+ regeneriert.
Wie sich der Glukosestoffwechsel auf das Altern auswirkt
Glukose und andere Monosaccharide können mit den Aminogruppen von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren reagieren und eine strukturelle Veränderung hervorrufen, die als nicht-enzymatische Glykierung bezeichnet wird. Diese veränderten Moleküle werden als fortgeschrittene Glykationsendprodukte (AGEs) bezeichnet und verlieren ihre Funktion – sie sind beschädigte Moleküle.
AGEs werden in der Regel durch zelluläre Qualitätskontrollmechanismen abgebaut, können sich aber in Geweben anreichern. Die AGE-Produktion nimmt zu, wenn man zum Beispiel über längere Zeit einem hohen Blutzuckerspiegel ausgesetzt ist. Der Abbau von AGEs nimmt mit zunehmendem Alter ab, was auf den fortschreitenden Verlust der metabolischen Effizienz und der zellulären Abwehrmechanismen zurückzuführen ist.
Die Anhäufung von AGEs spielt eine wichtige Rolle beim Altern und bei der Entwicklung von altersbedingten Funktionsstörungen. So kann beispielsweise die Glykation von Proteinen zur Versteifung von Blutgefäßen und zur neurodegenerativen Aggregation von Proteinen im Gehirn beitragen. Darüber hinaus können AGEs nicht nur beschädigte Moleküle sein, sondern auch Signalwege aktivieren, die zu Gewebedysfunktionen beitragen, indem sie den oxidativen Stress und die Produktion anderer schädlicher Moleküle erhöhen.
Daher ist die Effizienz des Kohlenhydratstoffwechsels nicht nur für die Produktion von Zellenergie wichtig, sondern auch für die Minimierung der mit der Glykation verbundenen Zellschäden. Wenn Zucker nicht in den Energieströmen der Zellen verwendet werden, können sie mit Proteinen, Fetten und anderen Molekülen reagieren und zu einer ungesunden Alterung beitragen. Aus diesen Gründen ist es wichtig, den Glukosestoffwechsel zu unterstützen, um unserem Körper zu helfen, sich vor der Anhäufung von AGEs zu schützen.
Altersbedingter Verlust der Effizienz des Glukosestoffwechsels und der zellulären Abwehrmechanismen kann zur Anhäufung von schädlichen fortgeschrittenen Glykationsendprodukten (AGEs) führen.
Warum die Unterstützung des Glukosestoffwechsels/Glykolyse wichtig ist
Die Unterstützung des Glukosestoffwechsels trägt zur Aufrechterhaltung eines gesunden glykolytischen Flusses bei. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil Glukose die wichtigste Energiequelle für unsere Zellen und Gewebe ist. Ein gesunder Kohlenhydratstoffwechsel ist wichtig für eine effiziente Produktion von ATP, um biologische Prozesse anzutreiben.
Ein effizienter Glukosestoffwechsel ist auch für die Aufrechterhaltung eines gesunden Blutzuckerspiegels von grundlegender Bedeutung. Neben anderen Vorteilen (wie z.B. einer gesunden Insulinsignalisierung) trägt dies dazu bei, die Wahrscheinlichkeit schädlicher Glykierungsreaktionen von Proteinen und Fetten zu verringern.
Der Glukosestoffwechsel kann durch die Bereitstellung von Vorläufern für die Cofaktoren unterstützt werden, die an der Glykolyse und der Acetyl-CoA-Produktion beteiligt sind. Wie wir gesehen haben, liefert Qualia Life diese Inhaltsstoffe. Qualia Life enthält auch Inhaltsstoffe, die glukoseregulierende Enzyme unterstützen, wie Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% Ursolsäure). Darüber hinaus enthält Qualia Life auch Inhaltsstoffe, die die zellulären Qualitätskontrollmechanismen unterstützen, die zum Schutz vor AGEs dienen. Dazu gehören Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract und Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% Ursolsäure).
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