Glykolyse

U. Albrecht BC1 

Die Glycolyse (Glucose Katabolismus) 

1. Übersicht über die Glykolyse 

2. Reaktionschritte der Glykolyse 

3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats 

4. Kontrolle der Glykolyse 

5. Stoffwechsel von anderen Hexosen 

6. Der Pentosephosphatweg


Gesamtübersicht Abbauweg von Glukose. 

Glykolyse (glykos = süss, lyse = auflösen) 

Glucose -> 2 Pyruvat 

Alternativweg für Glucoseabbau => 

Pentosephosphatweg


1. Übersicht Glykolyse 

Phosphorylgruppenübertragungsreaktionen 

Stufe I (Investition von Energie) 

-2 ATP 

Oxidationsmittel NAD+ 

+ 2 NADH -> 2ATP 

NAD+ muss regeneiert werden 

Stufe II (Gewinnung von Energie) 

+ 4 ATP

2. Die Reaktionschritte der Glykolyse 

A. Hexokinase: Verbrauch des ersten ATP 


Mg2+ schirmt neg. Ladungen ab -> γ-Phosphoratom wird zugänglich für 

nucleophilen Angriff. 

Kinase = Enzym das Phosphorylgruppen 

auf Metaboliten überträgt. Name des Metaboliten 

wird vorangestellt -> Hexokinase für 

Hexosen, Glucokinase in Leber um Blutglucosespiegel 

aufrecht zu halten. 

Magnesium essentiell !!! 

Glucose induziert Konformationsänderung der Hexokinase 

2 Kieferbewegung -> 

ATP nähe C6 und 

Wasser weg -> keine 

Hydrolyse von ATP 

= substratinduzierte 

Konformationsänderung 

vrgl. Adenylat-Kinase

B. Glucosephosphat-Isomerase 


PGI = Phosphoglucose-Isomerase 

Aldose wird zu Ketose 

Ringöffnung und Ringschluss 

Säure-Base katalysiert durch das 

Enzym 

Schritt 1: Substrat bindet 

Schritt 2: Säure (ε-Aminogruppe von Lys) 

Schritt 3: Base (Carboxylatgruppe v. Glu) abstrahiert Proton 

Schritt 4: H+ an C1 => Protonenübertragung 

Schritt 5: Ringschluss

C. Phosphofructokinase: Verbrauch des zweiten ATP 


Ähnlich der Hexokinase Reaktion (Mg2+). 

PFK zentral in Glykolyse, da geschwindigkeits- 

Bestimmender Schritt. 

AMP erhöht Aktivität 

ATP, Citrat allosterische Hemmer (siehe später). 

Bisphosphat und nicht diphosphat, da 

Phosphatgruppen getrennt.

D. Aldolase 


Spaltung von FBP (1xC6) in 2 C3 Einheiten 

Nummerierung der C Atome ändert 

= Aldolspaltung 

Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung 

Enolat-Zwischenprodukt entsteht -> 

Resonanzstabilisiert. 

G6P->F6P Isomerisierung da nur 

F6P gleiche in sich umwandelbare C3 

Einheiten liefert die gleich abgebaut 

Werden können. 

2 Klassen von Aldolasen

Klasse I Aldolasen 

Klasse II Aldolasen 


In Pilzen, Algen und Bakterien 

Keine Schiffsche Base sondern sondern zweiwertiges Kation 

Polarisiert Carbonylsauerstoff -> Stabilisierung des Enolats 

Klasse I Aldolasen in Tieren und Pflanzen 

Schritt 1: Substratbindung 

Schritt 2: Reaktion der Carbonylgruppe mit ε-Aminogruppe 

Bildung einer Schiffschen Base. 

Schritt 3: Spaltung der C3-C4 Bindung Bildung von Enamin 

Schritt 4: Protonierung des Enamins zu Iminiumkation 

Schritt 5: Hydrolyse, freies Enzym regeneriert

E. Triosephosphat-Isomerase (TIM) 


Säure 

Base 

Aldose 

Ketose 

Isomerisierung wie bei G6P->F6P 

Aldose->Ketose 

Übergangszustand bindet besser an 

Enzym als Substrat 

(Analoge zu Endiol, wie 2-Phosphoglykolat 

Binden besser an Enzym als Substrate)


Hefe TIM im Komplex mit 2-Phosphoglykolat 

flexible 

Schleife 

Glu 

His 

Lys 

α/β Fass. 

8 β Faltblätter und 8 α Helices 

Stereoelektrische Kontrolle durch 

Flexible Schleife -> effektive 

Umsetzung des Substrates da 

Übergangszustand stabilisiert wird. 

Geschwindigkeit der Assoziation von 

Enzym und Substrat diffusionskontrolliert 

-> Bildung des Produkts so 

rasch wie Aufeinandertreffen von 

Enzym und Substrat -> GAP und 

DHAP immer im Gleichgewicht 

2-Phosphogkykolat 

GAP weiter Umgesetzt -> Fliessgleichgewicht 

-> DHAP wird in GAP um- 

Gewandelt -> beide Produkte werden 

Im Stoffwechsel umgesetzt.

Übersicht 1. Stufe der Glykolyse 

U. Albrecht BC1

F. Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase: Bildung des ersten energiereichen 

Zwischenprodukts 

U. Albrecht BC1


Mechanistische Untersuchungen 

Cys-Sulfhydrylgruppe 

imAktiven Zentrum 

Direkte Hydridübertragung 

Acyl-Enzym Zwischenprodukt

Enzymmechanismus der GAPDH 


Schritt 1: GAP bindet an Enzym 

Schritt 2: Sulfhydrylgruppe greift 

Aldehydgruppe an und es 

entsteht ein Thiohalbacetal 

Schritt 3: Übertragung von Hydridion 

auf NAD+ -> Hemiacetal wird 

zu Ester oxidiert. Thioester 

hohe freie Enthalpie bei 

Hydrolyse -> Energie der 

Aldehydoxidation gespeichert 

in Form von NADH und Thioester. 

Schritt 4: NAD+ verdrängt NADH 

Schritt 5: Pi greift Thioester an -> 

Enzym wird regeneriert und 

1,3 BPG entsteht.

G. Phosphoglycerat-Kinase: Produktion des ersten ATP 


Phosphoglycerat-Kinase PGK) 2 lappig ähnlich wie Hexokinase -> 

zusamenklappen -> wasserfreie Umgebung. Hexokinase und PGK 

Verschiedene Aminosäuresequenzen. 

3PG


Verknüpfung der GAPDH- mit der PGK-Reaktion 

GAP + Pi + NAD+ ----> 1,3 BPG + NADH 

∆G°‘ = +6.7 kJ/mol 

1,3 BPG + ADP ----> 3PG + ATP ∆G°‘ = -18.8 kJ/mol 

_________________________________________________________________ 

GAP + Pi + NAD+ + ADP ----> 3PG + NADH + ATP 

∆G°‘ = -12.1 kJ/mol 

Substratkettenphosphorylierung -> ATP Synthese ohne Sauerstoffbeteiligung 

Das NADH und O2 liefert durch die oxidative Phosphorylierung zusätzlich ATP

H. Phosphoglycerate-Mutase (PGM) 


Mutasen katalysieren intramolekulare Übertragungen einer funktionellen Gruppe von einer 

Position auf eine andere. Ist nicht direkt sondern über Phospho-His-Rest 

Energetisch neutrale Reaktion.


Postulierter Reaktionsmechanismus der Phosphoglycerat-Mutase 

Schritt 1: 3PG bindet an Enzym 

His ist phosphoryliert 

Schritt 2: Phosphorylgruppe wird 

übertragen 

Schritt 3&4: Komplex zerfällt


I. Enolase: Bildung des zweiten energiereichen Zwischenprodukts 

Dehydratisierung 

Mg2+ für Substratbindung an Enolase nötig. Fluorid ion (F-) blockiert Enolase und damit die Glykolyse. 

2PG und 3PG reichern sich an.

J. Pyruvat-Kinase: Produktion des zweiten ATP 


Schritt 1: Phosphorylsauerstoff des ADP greift PEP-Phosphorylatom an -> ATP wird gebildet. 

Schritt 2: Tautomerisierung zu Pyruvate.


Als 2 Stufenprozess betrachtet -> Tautomerisierung setzt mehr Energie frei als Phosphorylgruppen- 

Übertragung -> Tautomerisierung treibt Reaktion.

Zusammenfassung von Stufe II der Glykolyse 


In Stufe 1 2 ATP investiert 

4 ATP werden in Stufe 2 gewonnen (2x2 aus 2 GAP) 

2 NADH gewonnen -> oxidative Phosphorylierung. 

2 Pyruvat -> Citrat Zykuls (aerobe Bedingungen)

3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats 


Muskel 

Milchsäuregärung 

Hefe 

Alkoholische Gärung 

Aerobe Bedingungen 

Anaerobe Bedingungen

A. Milchsäuregärung 


His 195 und Arg 171 orientieren 

Pyruvat im aktiven Zentrum 

Überschüssiges Lactat -> Umwandlung 

in Pyruvat oder 

Transport aus Muskel zu Leber-> 

Umwandlung von Lactat in 

Glucose 

Im Muskel bei hoher Aktivität und knapper 

Sauerstoffversorgung. LDH vollständig 

reversible Reaktion -> Gleichgewicht von 

Pyruvat und Lactat 

Muskelkater nicht wegen Lactat 

Anhäufung sondern wegen Säureproduktion 

der Glykolyse

B. Alkoholische Gärung 


Reaktion läuft bei der Herstellung von Bier und Wein ab. Auch bei Brot -> CO2 lässt 

Teig aufgehen. 

Thiaminpyrophosphat (TPP) essentieller Cofaktor der Pyruvatdecarboxylase (dieses Enzym 

in Tieren nicht vorhanden). 

Kann Carbanion stabilisieren wenn Proton abgegeben wird -> 

dipolares Carbanion oder Ylid


Schritt 1: Ylid C- greift Pyruvat an 

Schritt 2: Austritt von CO2 Bildung 

eines Carbanions 

Schritt 3: Protonierung Carbanion 

Schritt 4: Eliminierung Ylid 

Bildung von Acetaldehyd


Reduktion von Acetaldehyd und Regeneration von NAD+ 

Hefe (Yeast) ADH (=YADH) ist ein tetramer 

Jede Untereinheit bindet ein Zink-ion -> 

Polarisierung der Carbonylgruppe des Acetaldehyds 

-> stabilisiert Übergangszustand. 

Säugetiere haben ADH in der Leber = LADH 

Beseitigt baktereill produzierten Ethanol (Darmflora) 

Und von aussen eingenommenen Ethanol. -> 

Reaktion verläuft in umgekehrter Richtung. 

LADH ist ein Dimer wobei jedes Monomer 2 Zink 

Ionen bindet.


Energiebilanz der Gärung 

Pro Glucose: Gärung liefert 2 Moleküle ATP 

oxidative Phosphorylierung 38 ATP 

Geschwindigkeit: 100 x 1 x 

Hefe unter anaeroben Bedingungen -> verbraucht mehr Glucose für Wachstum (= Pasteur Effekt). 

Muskeln: 2 typen von Fasern 

Typ I: schnelle Fasern, fast keine Mitochondrien -> wenig oxidative Phosphorylierung -> 

schnelle anaerobe Glykolyse. 

Typ II: langsame Fasern. Viele Mitochondrien. Oxidative Phosphorylierung.

4. Kontrolle der Glykolyse 


A. Phospohfructokinase: Kontrolle der Glykolyse im Muskel 

Viele Reaktionen der Glykolyse verlaufen am Gleichgewicht -> Fliessgleichgewicht lässt Glykolyse 

Kontinuierlich laufen. Abrupte Änderung des Energiebedarfes -> Kontrolle 

3 Reaktionen arbeiten fernab des Gleichgewichtes: Hexokinase, 

Phosphofructokinase (siehe slide 6) 

Mg++ 

Pyruvat-Kinase 

F6P 

T 

ATP 

Negative Änderung der freien Enthalpie -> Kandidaten 

für Kontrolle. 

Wenn Glycogen statt Glucose im Skelettmuskel ver- 

Braucht wird -> Hexokinase Reaktion umgangen 

2 Untereinheiten 

Inhibitorstelle, Aktivatorstelle 

R 

R/T 

Pyruvat-Kinase ist letzter Reaktionschritt in Glycolyse-> 

Nicht geeignet als Kontrollpunkt. 

Phospohfructokinase (PFK) geeignetster 

Kontrollpunkt 

PFK = tetramer, R und T Konformationszustände 

ATP = Substrat und allost. Hemmstoff (hohe [ATP ]) 

AMP, ADP, F2,6P = Aktivatoren 

F6P = Substrat (R)

U. Albrecht BC1

Allosterische Änderung der PFK (Bacillus stearothermophilus) 


Aktivator 

R-Zustand 

T-Zustand 

Inhibitor (PGC= 2 Phosphoglykolat = PEP Analog) 

Ionische Wechselwirkung 

-/+ F6P gebunden 

-/- F6P abgestossen 

ATP wird durch Creatinkinase und Adenylat-Kinase 

Gepuffert. D.h. ATP Konzentrationsveränderungen 

Sind relativ gering -> d.h. kann nicht alleine die 

Aktivität von PFK regulieren. 

-> AMP und ADP heben Hemmung der PFK durch 

ATP auf da sie bevorzugt an den R-Zustand binden.

B. Substratkreislauf 


Änderung des Flusses in der Glykolyse 100 fach. Solche drastischen Steigerungen nur möglich wenn Reaktionen 

nahe an Gleichgewicht. Dies nicht der Fall für PFK -> Zweites Enzym das Rückreaktion katalysiert -> 

Fructose-1,6-Bisphosphatase (FBPase). 

PFK: F6P + ATP --> FBP + ADP -25.9 kJ/mol 

FBPase: FBP + H2O --> F6P + Pi -8.6 kJ/mol 

Kombination --> netto 1 ATP verbraucht 

Gruppe von gegenläufigen Reaktionen = Substratkreislauf oder Substratcyclus 

Aktivatoren der PFK (AMP, F2.6P) 

hemmen die FBPase. 

--> Aktivierung PFK --> Inhibierung 

FBPase 

Essentiell für plötzliche hohe 

glycolytische Flussrate bei hohem 

Energiebedarf (Fluchtbereitschaft usw.) 

Möglicherweise auch hormonell kontrolliert. 

Thermogenese (Schilddrüsenhormone). 

Chronische Obesitas -> geringerer Stoffwechselumsatz 

-> verringerte Thermogenese -> 

Kälteempfindlich (keine Erhöhung der Schilddrüsenhormone 

bei Kälte). 

Ruhezustand Muskel, beide 

Enzyme aktiv -> Fluss gering 

Aktiver Muskel -> PFK nimmt zu 

FBPase ab --> dramatischer Anstieg 

des glykolytischen Flusses

5. Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose 

U. Albrecht BC1

A. Fructose 


Fructose Brennstoffquelle wenn Früchte oder Saccharose aufgenommen werden. 

Muskel und Leber verschiedene Repertoire an Enzymen -> Fructose Abbau verschieden. 

Zuviel Fructose (Infusion) -> F1P 

schneller produziert als abgebaut-> 

ATP Konentration in Leber sinkt -> 

Glykolyse und Lactatproduktion 

steigt -> hohes Lactat im Blut 

lebensbedrohlich. 

Fructoseunverträglichkeit -> 

Typ-B-Aldolase Mangel -> 

Individuen entwickeln Abneigung 

Gegenüber süssem. 

Kann für Synthese von 

Triacylglyceriden gebraucht 

Werden.

B. Galactose 


Milchprodukte -> Lactose = Disaccharid aus Glucose und Galactose. 

Hexokinase erkennt Galactose nicht -> Epimerisierungschritt 

Epimerisierung läuft über UDP-Glucose (siehe später).

Galactoseabbau 


Galactosämie 

Mangel an Galactose-1-phosphat uridyltransferase -> 

Anhäufing toxischer Nebenprodukte -> Entwicklungs- 

Störungen, geistige Retardierung. 

Glalactose hoch im Blut -> in Augenlinse umgewandelt 

In Galactitol -> grauer Star 

Galacotsefreie Diät behebt alle Symptome. 

Für Synthese von Glycoproteinen Galactose aus Umkehrung 

der Epimerisierungsreaktion aus Glucose 

synthetisiert.

C. Mannose 


C2 Epimer von Glucose 

Hexokinase erkennt Mannose -> Phosphorylierung

6. Der Pentosephosphatweg 


Stufe 1: oxidative Reaktionen 

Stufe 2: Isomerisierung und Epimeris. 

Stufe 3: Bilden und Spalten von C-C 

Stufen 2+3 vollständig reversibel 

Energiewährungen in der Zelle: 

ATP 

NADH -> für ATP Synthese 

NADPH -> reduktive Biosynthesen 

NAD+/NADH = 1000 Metabolitenoxidation 

NADP+/NADPH = 0.01 reduktive Biosynth. 

NADPH durch oxidation von G6P erzeugt, 

aber nicht in Glycolyse sondern in 

Separatem Weg -> Pentosephosphatweg 

Vor allem in Geweben mit Lipidbiosynthese: 

Leber, Milchdrüsen, Fettgewebe, Nebennierenrinde 

30% der Glucoseoxidation in der Leber 

Über Pentosephosphatweg

A. Stufe 1: Oxidation unter Bildung von NADPH und Ribulose-5-phosphat 


Startpunkt G6P aus Glykolyse (Hexokinase) oder Glykogenabbau 

1. Glucose-6-phosphate dehydrogenase 

-> Lacton 

2. 6-Phosphogluconolactonase -> 

Ringöffnung

B. Stufe 2: Isomerisierung und Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat 


Relative Mengen von R5P und Xu5P hängt 

vom Bedarf der Zelle ab. 

Wenn Pentosephosphatweg nur für NADPH 

Produktion gebraucht wird ist das Verhältnis 

Xu5P : R5P = 2:1 

In teilenden Zellen DNA-Synthese gesteigert-> 

R5P vermehrt produziert da Vorläufermolekül 

für Nucleotide.


C. Stufe 3: Reaktionen zur Knüpfung und Spaltung von C-C Bindungen 

Aus 3 G6P entstehen 3 Ru5P. 

Aus diesen 3 C5 Zuckern entstehen dann 2 C6 und ein C3 Zucker. 

Transaldolasen und Transketolasen -> Bildung stabilisierter Carbanionen 

Mit Hilfe von TPP 

Transketolase Reaktion 

Katalysiert die Übertragung von C2-Einheiten


Transaldolase Reaktion 

Katalysiert die Übertragung von C3-Einheiten


Transketolase 

Transaldolase 

Transketolase

D. Kontrollmechanismen des Pentosephosphatweges 


Hauptprodukte des Pentosephosphatweges 

Glucose-6-phosphatdehydrogenase bestimmt Fluss durch 

Pentosephosphatweg. 

Dieser Schritt wird durch NADPH Konzentration kontrolliert.

Glykolyse

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