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Glycolyse

Allgemeines zur Verdauung

Wenn man in der 8. oder 9. Klasse Biologie-Unterricht oder in der Stufe EF Ernährungslehre hat, so lernt man in der Unterrichtsreihe über das menschliche Verdauungssystem sicherlich, dass es drei Nährstoffe gibt, die vom menschlichen Körper verwertet werden können, nämlich Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße.

Mit der Nahrung gelangen diese Nährstoffe in unseren Magen, dann in unseren Dünndarm, schließlich in den Dickdarm. Teils im Magen, aber hauptsächlich im Dünndarm werden die Nährstoffe verdaut. Verdauung heißt: Sie werden mithilfe bestimmter Enzyme in ihre molekularen Bausteine zerlegt, Kohlenhydrate also in Glucose, Fette in Glycerin und Fettsäuren und schließlich Eiweiße in Aminosäuren. Die molekularen Bausteine sind dann so klein, dass sie über bestimmte Zellen in den Blutkreislauf gelangen. Aus dem Blutkreislauf treten diese Moleküle dann in die einzelnen Zellen über, wo sie als Baustoffe und Brennstoffe benötigt werden.

Baustoffe und Brennstoffe

Wie Sie sicherlich ebenfalls aus dem Biologie- oder Ernährungslehreunterricht wissen, unterteilt man die Nährstoffe in Brennstoffe und Baustoffe. Eiweiße gehören zu den Baustoffen, während Kohlenhydrate und Fette zu den Brennstoffen gehören.

Die Brennstoffe heißen so, weil sie in den Zellen des Körpers oxidiert werden. Allerdings sind dafür keine hohen Temperaturen notwendig, sondern mit Hilfe bestimmter Enzyme kann diese Oxidation bei normaler Körpertemperatur stattfinden.

Über die Glucose

Glucose oder Traubenzucker C6H12O6 ist der wichtigste Energielieferant ("Brennstoff") der Zellen. Das hat vor allem zwei Gründe:

  1. wird bei der Oxidation von Glucose unheimlich viel Energie frei, nämlich über 2.800 kJ/mol Glucose.
  2. kann Glucose von den Organismen sehr leicht als Vorratsstoff gespeichert werden. Allerdings muss die wasserlösliche Glucose dazu erst in wasserunlösliche Polysaccharide überführt werden, also in Stärke oder Glycogen. Diese Speicherstoffe sind nicht wasserlöslich und können damit auch nicht den osmotischen Druck in den Zellen erhöhen, was nicht gut für die Zellen wäre. Bei Bedarf können diese Speicherstoffe (Stärke bei Pflanzen bzw. Glycogen bei Tieren) schnell wieder in Glucose umgewandelt werden.

Neben dieser wichtigen Rolle als leicht speicherbarer Energielieferant ist Glucose auch ein wichtiger chemischer Baustein für die Zelle. Aus Glucose-Molekülen können viele Aminosäuren und andere wichtige Verbindungen hergestellt werden. Somit ist Glucose zum Teil auch ein Baustoff.

Allgemeines zur Oxidation der Glucose

Wir wollen uns jetzt näher mit der Oxidation der Kohlenhydrate beschäftigen. Alle Kohlenhydrate werden zunächst in ihre Bausteine zerlegt, nämlich in Glucose- und Fructose-Moleküle. Die Fructose ist beispielsweise ein Bestandteil des Disaccharids Saccharose, den meisten von Ihnen auch als "Haushaltszucker" oder "Rohrzucker" bekannt. In den Zellen wird die Fructose aber recht schnell in Glucose umgewandelt. Beide Moleküle haben die gleiche Summenformel, sind also - chemisch gesehen - Isomere (gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformel).

Betrachten wir nun die berühmte Gleichung, die Sie sicherlich auch aus Ihrem Biologie- oder Ernährungslehre-Unterricht kennen:

C6H12O6 + 6 O2 ==> 6 CO2 + 6 H2O

Diese Gleichung beschreibt, wie in der Zelle der Glucose C6H12O6 unter Verbrauch von Sauerstoff O2 und Gewinnung von Energie zu Kohlendioxid CO2 und Wasser H2O abgebaut wird.

Chemisch gesehen handelt es sich um eine Oxidation des Glucose-Moleküls, denn es wird a) Sauerstoff zugeführt und b) Wasserstoff abgespalten.

Ziel der Oxidation ist die Gewinnung von ATP

Leider ist diese aerobe Oxidation (aerob = Aufnahme von Sauerstoff) der Glucose recht komplex, die oben gezeigte Reaktionsgleichung ist quasi nur die Zusammenfassung eines Prozesses, der in vielen Einzelschritten an unterschiedlichen Orten der Zelle abläuft, im Cytoplasma, im Plasma der Mitochondrien und in der Membran der Mitochondrien. Ziel dieser aeroben Oxidation ist letzten Endes nicht die Gewinnung von Kohlendioxid und Wasser, wie es die Reaktionsgleichung vielleicht nahe legt, sondern die Synthese von ATP.

ATP = Adenosintriphosphat, die universelle Energiewährung der Zelle.

ATP besteht aus einem großen organischen Molekül, dem Adenosin, das mit drei Phosphatgruppen verbunden ist. Die zwei Bindungen zwischen den drei Phosphatgruppen sind sehr energiereich, daher kann man ATP als Energiespeicher ansehen.

Wird eine der drei Phosphatgruppen aus dem ATP abgespalten, so wird die gespeicherte Bindungsenergie freigesetzt und kann für andere Stoffwechselprozesse genutzt werden. Aus dem ATP wird dann ADP = Adenosindiphosphat.

Diese Abbildung zeigt noch einmal den großen Zusammenhang. Glucose wird mit Hilfe von Enzymen oxidiert, dabei entstehen die "Abfallprodukte" Kohlendioxid und Wasser und als "Hauptprodukt" viel Energie. Diese Energie wird benutzt, um ATP herzustellen, und zwar aus ADP und anorganischem Phosphat. Das so hergestellte ATP wiederum kann nun zum "Antreiben" anderer endothermer Reaktionen in der Zelle benutzt werden. Dazu gibt das ATP eine Phosphatgruppe ab, und es entstehen wieder ADP + P. Der Kreislauf hat sich geschlossen.

Die Glycolyse

Das Schema der ATP-Gewinnung ist sehr stark vereinfacht; in Wirklichkeit ist die aerobe Oxidation in drei Abschnitte unterteilt, von denen die Glycolyse nur der erste ist.

In der Glycolyse wird die Glucose in zwei kleinere organische Moleküle mit je 3 C-Atomen zerlegt, und etwas Energie wird dabei gewonnen. Für ganz einfache Lebewesen ist dann auch schon Schluss mit der "Atmung", sie müssen mit dieser wenigen Energie auskommen. Dafür sind sie aber nicht auf Sauerstoff angewiesen und können auch dort leben, wo es echt unangenehm ist, zum Beispiel im Darm von uns Menschen. Gemeint sind viele Bakterien, Hefen und Pilze, die anaerob (ohne Sauerstoff) leben.

Der zweite Schritt des aeroben Glucose-Abbaus ist der Citratzyklus (Zitronensäurezyklus). Hier werden die C3-Moleküle aus der Glycoloyse weiter oxidiert, und dabei wird jede Menge Wasserstoff gewonnen - allerdings kein gasförmiger, sondern chemisch gebundender Wasserstoff.

Dieser chemisch gebundene Wasserstoff reagiert nun im dritten Schritt - der Atmungskette - mit Sauerstoff. Bei dieser stark exothermen Reaktion (vergleichbar mit den Prozessen, die auch in einer Rakete ablaufen) wird sehr viel ATP gewonnen. Und damit hat die Zelle ihre eigentliches Ziel erreicht: Gewinnung von möglichst viel ATP aus der Glucose.

Endlich ist die neue Glycolyse-Seite fertig. Hat ja auch lange genug gedauert. Die alte Version ist in den Jahren 1998 bis 2003 entstanden, und es war dringend an der Zeit, sie in ein moderneres Gewand zu hüllen. Bei der Gelegenheit habe ich aber auch den Text ziemlich überarbeitet und vor allem stark gekürzt.

Ulrich Helmich im Mai 2016