Warum findet die alkoholische Gärung statt?

Unter der Glycolyse versteht man den Abbau von Glucose im Zellplasma einer lebenden Zelle. Glucose findet sich in vielen alltäglichen Lebensmitteln wieder, wie z.B. Balsamico.

Auch Honig, Fruchtsäfte und viele andere zuckerhaltige Lebensmittel enthalten oft reine Glucose. Aber auch Nahrungsmittel, die Saccharose (Haushaltszucker) oder Polysaccharide (Stärke) enthalten, werden im Dünndarm zu Glucose abgebaut, sind somit also ebenfalls Glucose-Lieferanten.

Das Wort "Glycolyse" leitet sich von griechisch "glykos" für "süß" und "lysis" für "Auflösung" her. "Glycolyse" heißt also wörtlich "Auflösung von etwas Süßem" (gemeint ist der Zucker Glucose).

Das Endprodukt der Glycolyse sind zwei Moleküle Pyruvat pro Molekül Glucose, außerdem werden bei der Glycolyse 2 ATP und 2 NADH/H+ pro Molekül Glucose gewonnen, was unter dem Aspekt der Energiegewinnung nicht sehr viel ist.

$Glucose + 2 \ P_{i} + 2 \ ADP + 2 NAD^{+} \to $

$2 \ Pyruvat + 2 \ ATP + 2 \ NADH/H^{+} + 2 \ H_{2}O$

Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (kurz: EMP-Weg) genannt - verläuft bei fast allen Organismen im Zellplasma, genauer gesagt, im Cytosol, der flüssigen Grundsubstanz des Zellplasmas. Die Enzyme der Glycolyse sind nicht membrangebunden, sondern liegen frei im Plasma vor.

Die Glycolyse ist nicht nur ein extrem wichtiger Stoffwechsel-Prozess für alle Pro- und Eukaryoten, sondern war auch der erste Stoffwechsel-Prozess, der vollständig aufgeklärt wurde. Bereits 1930 kannte man alle Teilschritte der Glycolyse.

➥Entdeckungsgeschichte

Die Entdeckungsgeschichte der Glycolyse ist sehr interessant, würde aber den Rahmen dieser Webseite sprengen. Statt dessen verweise ich auf den sehr ausführlichen Abschnitt in der deutschen Wikipedia.

Spätestens damals wurde auch klar, dass Lebensvorgänge nicht auf einer geheimnisvollen "Lebenskraft" beruhen, sondern biochemisch erklärt werden können.

All die Fakten über Enzyme und Coenzyme wie ATP oder NADH, die heute in jedem guten Oberstufen-Lehrbuch stehen, sind Resultate der Glycolyse-Forschung.

Für manche Organismen ist die Glycolyse aber der einzige Weg, um ATP aus Glucose zu gewinnen. Bei den meisten aeroben Organismen (aerob = Sauerstoff verwertend) ist die Glycolyse aber nur der erste Schritt der aeroben Dissimilation (Atmung). Es folgen der Citratzyklus und dann die Atmungskette. Bei diesen beiden komplexen Prozessen wird richtig viel ATP aus einem Molekül Glucose gewonnen, über 30 Moleküle! Kein Vergleich also mit der "mickrigen" Ausbeute von 2 ATP/Glucose bei der Glycolyse bzw. bei den verschiedenen Gärungen, die sich an die Glycolyse anschließen, falls kein Sauerstoff zur Verfügung steht. Allerdings ist auch bei einigen Zellen und Geweben des Menschen die Glycolyse der einzige Weg, an ATP zu kommen. Bei roten Blutkörperchen, stark belasteten Muskelzellen oder Spermien ist das zum Beispiel der Fall, aber auch bei schnell wachsenden Tumorzellen.

Im Laufe der Evolution hat sich der Ablauf der Glycolyse so gut wie gar nicht verändert, er ist hoch-konservativ, weil er so extrem wichtig für alle Organismen ist, vom einfachsten Bakterium bis zum Menschen hin. Die Aminosäure-Sequenzen wichtiger Glycolyse-Enzyme beim Menschen sind fast identisch mit den entsprechenden Sequenzen bei anderen Wirbeltieren. Sogar bei Pflanzen und Pilzen liegen fast die gleichen Aminosäure-Sequenzen vor.

Viele Bakterien haben nicht alle notwendigen Enzyme für die normale Glycolyse. Solche Bakterien betreiben, ebenfalls von der Glucose ausgehend, einen alternativen Weg, der nach seinen Entdeckern als Entner-Doudoroff-Weg bezeichnet wird.

Bakterien wie z. B. Escherichia coli nutzen beide Wege, also sowohl den Embden-Meyerhof-Parnas-Weg wie auch den Entner-Doudoroff-Weg. Letzterer erlaubt nämlich den Abbau von organischer Säuren, die den Bakterien zur Verfügung stehen und nicht in die "normale" Glycolyse einfließen können.

➥Entner-Doudoroff-Weg

Eine Erläuterung dieses Weges würde diese Seite sprengen, daher verweise ich auf den entsprechenden Artikel in der Wikipedia.

Glucose ist an sich schon ein energiereiches Molekül, wie jeder Sportler weiß. Wenn eine sportliche Höchstleistung ansteht, schluckt man oft vorher ein paar Stücke Traubenzucker, weil Glucose sofort ins Blut übergeht und dann von den Zellen zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

Trotzdem - wenn man ein Stück Traubenzucker in der Hand hält, reagiert es nicht ansatzweise mit Sauerstoff - das wäre ja auch schlimm. Man muss erst ein Feuerzeug an den Traubenzucker halten, damit er anfängt zu brennen. Und auch das klappt oft nur mit Hilfe eines Katalysators, zum Beispiel Zigarettenasche.

Auch in unseren Zellen muss der Traubenzucker erst aktiviert werden, damit er weiter reagieren kann. Feuerzeuge stehen unseren Zellen nicht zur Verfügung, wohl aber so etwas Ähnliches im Mikroformat: ATP-Moleküle. Mit Hilfe von ATP-Molekülen wird unser Traubenzucker aktiviert - energiereicher gemacht. Hier sehen Sie den ersten Schritt der Glycolyse im Bild:

Eine Phosphatgruppe wird von einem ATP-Molekül auf ein Glucose-Molekül übertragen; übrig bleibt ADP. Einzelheiten hierzu siehe: Schritt 1. Das entstandene Produkt - Glucose-6-phosphat - ist immer noch nicht energiereich genug für eine Spaltung in  zwei Bruchstücke. Was macht die Zelle? Sie aktiviert die Glucose mit einem zweiten ATP-Molekül.

Dummerweise kann sich die Phosphatgruppe des ATP aber nur an bestimmte C-Atome des Glucose-Moleküls anlagern, nämlich an die C-Atome, die aus der Ringebene herausragen, wie das C6-Atom in der Abbildung. Leider hat Glucose nur ein einziges "herausragendes" C-Atom. Fructose dagegen hat zwei dieser Atome. Wenn sich also die Glucose in Fructose umwandeln würde, könnte sich eine weitere Phosphatgruppe anlagern. Genau dies passiert im nächsten Schritt der Glycolyse: Glucose-6-phosphat lagert sich in Fructose-6-phosphat um (siehe Schritt 2), und dann kann eine zweite Phosphatgruppe aufgenommen werden (Schritt 3):

Jetzt ist das Zuckermolekül derart energiereich, dass es leicht gespalten werden kann:

Das Fructose-1,6-bisphosphat wird durch die Aldolase in zwei C3-Körper gespalten, in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton-phosphat. Letzteres wird aber durch ein weiteres Enzym ebenfalls in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt, so dass im Endeffekt zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat aus einem Molekül Fructose-1,6-bisphosphat entstehen (Schritt 4).

Bisher wurden zwei ATP-Moleküle pro Glucose-Molekül investiert, um die Glucose zu aktivieren und dann in zwei C3-Bruchstücke zu spalten. Eine Energiegewinnung hat aber noch nicht stattgefunden, im Gegenteil, bisher wurde nur Energie in die Glucose hineingesteckt.

So sieht die Reaktionsgleichung für den Schritt 5 der Glycolyse aus - ziemlich kompliziert. Einfach ausgedrückt, wird das Zwischenprodukt oxidiert, der dabei freigesetzte Wasserstoff wird auf das Coenzym NAD+ übertragen und fließt dann in die Atmungskette ein. Gleichzeitig lagert sich ein Phosphat-Ion an das Zwischenprodukt an, wodurch dieses energetisch aufgeladen wird.

Der Schritt 6 ist jetzt ganz wichtig: Das Zwischenprodukt 1,3-Bisphosphatglycerat enthält zwei Phosphatgruppen. Eine davon wird jetzt auf ein ADP-Molekül übertragen. Der ganze Vorgang läuft natürlich zweimal ab, weil aus einem Glucose-Molekül ja zwei C3-Körper entstanden sind. Die beiden ATP-Moleküle, die in den Schritten 1 und 3 investiert worden sind, werden jetzt also zurückgewonnen - die Energiebilanz ist jetzt ausgeglichen.

Achten Sie darauf, dass das Produkt dieses Schrittes, das 2-Glycerat-phosphat, immer noch eine Phosphatgruppe enthält. Auch diese Phosphatgruppe kann an ein weiteres ADP abgegeben werden. Allerdings bedarf es dazu noch einiger Vorbereitungen. Das Zwischenprodukt lagert sich in Schritt 7 und in Schritt 8 etwas um, damit in Schritt 9 dann tatsächlich die letzte Phosphatgruppe auf ein ADP-Molekül übertragen werden kann.

Es entsteht das Endprodukt der Glycolyse, das Pyruvat, auch bekannt als das Salz der Bernsteinsäure.

Fassen wir nun die Glycolyse kurz zusammen. Ein Molekül Glucose wird durch 2 ATP zunächst aktiviert und dann in zwei C3-Körper gespalten. Diese sind noch sehr energiereich und können oxidiert werden. Bei dieser Oxidation entstehen 2 Moleküle NADH/H+, die in die Atmungskette einfließen. Außerdem sind die Oxidationsschritte so exotherm, so dass 4 ATP-Moleküle gebildet werden können. Wenn man die beiden ATP-Moleküle abzieht, die in den Schritten 1 bis 3 investiert worden sind, so bleiben am Ende der Glycolyse immer noch 2 ATP-Moleküle übrig, die tatsächlich gewonnen worden sind.

Hier noch einmal die gesamte Glycolyse im Überblick - bitte nicht von den komplizierten Namen der Zwischenprodukte abschrecken lassen. Ganz am Ende dann die Gesamtbilanz der Glycolyse. Diese sollte man sich dann doch etwas näher anschauen und - wenn es geht - auch verstehen.

➥Glycolyse in Einzelschritten

Wem dieser kurze Überblick nicht genügt kann sich ja die "richtigen" Seiten zur Glycolyse anschauen, in der ich jeden einzelnen Schritt ausführlich - manchmal sogar erschöpfend ausführlich - erläutert habe. Diese Seiten sind dann auch für Studienanfänger(innen) der Fächer Biologie, Chemie, Ernährungslehre oder Medizin interessant.

Bei diesem ersten Schritt der Glycolyse handelt es sich um eine typische Phosphorylierung: Das Enzym Hexokinase überträgt eine Phosphatgruppe vom ATP auf das Glucose-Molekül.

Der Schritt 1 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Glucose-Molekül wird dadurch um 16,77 kJ/mol energiereicher, als es ohnehin schon ist; die Reaktion ist also endotherm. Außerdem liegt das chemische Gleichgewicht dieser Reaktion fast ganz auf der Seite des Glucose-6-phosphats, so dass der Reaktionsschritt praktisch irreversibel ist.

Warum ist dieser Schritt notwendig?

Ein Glucose-Molekül ist recht stabil, es kann nicht ohne weiteres in zwei Bruchstücke gespalten werden. Das Molekül muss erst "aktiviert" werden. Dies geschieht, in dem es mit zwei energiereichen Phosphatgruppen "aufgeladen wird". Durch den Schritt 1 wird die erste dieser beiden Phosphatgruppen aufgenommen, die Glucose ist damit quasi "halbaktiv".

Was gibt es sonst noch Wissenswertes zu diesem Schritt?

Glucose ist ein wichtiger Nährstoff für die Zelle; die Versorgung der Zelle mit Glucose ist extrem wichtig. Durch die ständige Umwandlung der Glucose in das Glucose-6-phosphat wird die Glucose-Konzentration in der Zelle auf einem niedrigen Niveau gehalten. Außerhalb der Zelle ist die Glucose-Konzentration höher als im Zellplasma, daher kann Glucose passiv mit dem Konzentrationsgefälle in die Zelle diffundieren. Umgekehrt kann das Produkt Glucose-6-phosphat nicht aus der Zelle heraus diffundieren. Die negative Ladung der Phosphatgruppe verhindert die Passage durch die Lipid-Doppelschicht, und einen Transporter für Glucose-6-Phosphat gibt es in der Zellmembran nicht.

Wodurch wird dieser Schritt reguliert?

Das Reaktionsprodukt dieses Schrittes, das Glucose-6-phosphat, kann die Hexokinase allosterisch, eventuell auch kompetitiv hemmen [2]. Das ist ja auch sinnvoll, es handelt sich um eine typische Endprodukt-Hemmung. Wenn genug Endprodukt da ist, wieso soll dann weiteres Endprodukt hergestellt werden?

Mg2+-Ionen aktivieren dagegen den ersten Schritt der Glycolyse (siehe Expertenwissen).

Expertenwissen:
Weitere Einzelheiten zum ersten Schritt der Glycolyse

Die Hexokinase benötigt Mg2+-Ionen, um die vier negativen Ladungen des ATP-Moleküls (ATP4-) abzuschirmen. Es bildet sich dann der Mg-ADP2--Komplex. So kann die OH-Gruppe am C-Atom 6 der Glucose das endständige Phosphor-Atom des Mg-ADP2--Komplexes leichter nucleophil angreifen (SN2-Mechanismus). Die exakte Position des Mg2+ in dem Mg-ADP2--Komplex ist noch nicht bekannt [2].

Nucleophiler Angriff der Glucose auf das ATP-Molekül
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die Hexokinase ist ein induced-fit-Enzym. Es verändert also die Struktur des aktiven Zentrums, wenn sich ein Substrat bindet. Genauer gesagt, nähern sich zwei Domänen des Enzyms durch Drehung um 12 Grad um 0,8 nm an, wenn das ATP gebunden ist [3]. Dadurch wird das ATP der Glucose näher gebracht. Außerdem wird die Glucose bis auf die OH-Gruppe am C6-Atom vollständig umhüllt, so wird verhindert, dass Wasser-Moleküle mit der OH-Gruppe der Glucose um das endständige Phosphor-Atom des ATPs konkurrieren.

➥Hexokinase

Auf dieser Lexikon-Seite finden Sie weitere Einzelheiten zum Schlüsselenzym der Glycolyse.

Der Schritt 2 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Bei dieser Isomerisierung wird lediglich die Struktur des Moleküls verändert; es wird weder nennenswert Energie in das Molekül hineingesteckt, noch wird eine Oxidation oder Reduktion durchgeführt.

Dieser Reaktionsschritt ist reversibel, das chemische Gleichgewicht liegt zwar auf der Seite des Glucose-6-phosphats, da das Reaktionsprodukt Fructose-6-phosphat aber ständig weiter reagiert, wird es aus dem Gleichgewicht entfernt, und die Reaktion läuft weiter in Richtung Produkt (Prinzip des kleinsten Zwangs).

Das Enzym, das die Reaktion in beide Richtungen katalysiert, ist die Glucose-6-Phosphat-Isomerase, ein Protein, das auch außerhalb der Glycolyse wichtige Funktionen hat, z.B. als Wachstumsfaktor.

Mutationen am Gen für die Glucose-6-Phosphat-Isomerase (GPI) sollen nach neueren Erkenntnissen für einige Krankheiten verantwortlich sein, zum Beispiel für hämolytische Anämie, Arthritis und Tumorbildung (Wikipedia).

Warum ist dieser Schritt notwendig?

Es wurde bereits gesagt, dass Glucose durch zwei Phosphatgruppen aktiviert werden muss, damit die Spaltung erfolgen kann. Ein Glucose-Molekül kann aber aufgrund seiner Struktur nur eine Phosphatgruppe aufnehmen, da es nur eine exponierte CH2OH-Gruppe besitzt, nämlich am C-Atom 6. Ein Fructose-Molekül dagegen hat zwei solcher exponierter CH2OH-Gruppen (an C-Atomen 1 und 6), und kann daher zwei Phosphatgruppen aufnehmen. Die zweite Phosphatgruppe ist für die vollständige Aktivierung der Glucose notwendig.

Bei der Phosphorylierung der Glucose im ersten Schritt setzt sich das Glucose-Molekül in die Hexokinase, welche die Glucose dann nahezu komplett umschließt. Lediglich die CH2OH-Gruppe der Glucose ist noch frei zugänglich für die Phosphorylierung. Entsprechendes muss man sich jetzt auch für den folgenden Schritt vorstellen, wenn das Fructose-6-phosphat phosphoryliert wird.

Es gibt aber auch noch einen zweiten Grund für diese Umwandlung. Im Schritt 4 der Glycolyse wird das Glucose- bzw. Fructose-Molekül in zwei Hälften gespalten, die aus je drei C-Atomen bestehen. Es ist notwendig, dass das eine Spaltprodukte in das andere umgewandelt werden kann, denn nur eines der beiden Spaltprodukte kann in Schritt 5 weiterverarbeitet werden. Aus diesem Grund müssen beide Spaltprodukte der Glucose/Fructose eine Phosphatgruppe tragen, sonst könnte nämlich das eine Spaltprodukt nicht so einfach in das andere umgewandelt werden.

Im aktuellen Lehninger [2] und in dem Wikipedia-Artikel "Glucose-6-Phosphat-Isomerase" [4] ist dieser Reaktionsschritt in Einzelheiten beschrieben worden. Ich möchte die wesentlichen Aussagen dieser Quellen hier kurz in schüler- und studentengerechter Form wiedergeben.

Schritt 2.1 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

In einer wässrigen Lösung liegen Monosaccharide wie Glucose, Fructose und ihre Phosphate hauptsächlich (zu über 90%) in der Ringform vor, die Kettenform liegt zu weniger als 10% vor. Das Enzym Glucose-6-phosphat-Isomerase beschleunigt die Isomerisierung, ohne aber die Lage des Gleichgewichts zu verschieben (das können Enzyme ja grundsätzlich nicht, sie erniedrigen nur die Aktivierungsenergie und beschleunigen dadurch die Einstellung solcher Gleichgewichte).

Schritt 2.2 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

An der Position 357 der Glucose-6-phosphat-Isomerase befindet sich eine Glutaminsäure-Einheit mit einer negativ geladenen COO--Gruppe in dem Rest. Daher kann diese Aminosäure als Base fungieren und ein Proton von dem C2-Atom des Substrats abstrahieren (entfernen). Zwischen dem C1- und dem C2-Atom bildet sich eine C=C-Doppelbindung aus, das O-Atom der vormaligen Carbonylgruppe trägt nun eine negative Ladung, schließlich fehlt dem Molekül jetzt ein Proton.

Schritt 2.3 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die Glutaminsäure an Position 357 kann nun ihr Proton auch leicht wieder abgeben - so ist das eben bei Säuren, mal geben sie ein Proton ab und werden zur Base, dann nehmen wie wieder ein anderes Proton auf und werden erneut zur Säure. Dieses Proton von Glu357 dient nun dazu, die C=C-Doppelbindung zwischen den C1- und C2-Atomen aufzulösen, es setzt sich an das C1-Atom.

Zur Hydrierung einer C=C-Doppelbindung sind aber immer zwei H-Atome notwendig. Das zweite H-Atom kommt von der OH-Gruppe am C2-Atom und wandert zu dem negativ geladenen O-Atom am C1-Atom.

Schritt 2.4 der Glycolyse
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Im Schritt 2.3 ist nichts anderes entstanden als ein Fructose-6-phosphat-Molekül in der offenkettigen Form. Das chemische Gleichgewicht zwischen Ring- und Kettenform liegt bei Monosacchariden und ihren Phosphaten aber stets auf der Ring-Seite. Daher bildet sich die Ringform von Fructose-6-phosphat als Endprodukt des Schrittes 2.4 der Glycolyse.