3 Fragen zu Zellstoffwechsel

Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt.

Bei Substraterschöpfung von ATP (Adenosintriphosphat) in einer Zelle kommt es zu einer Reihe von physiologischen und biochemischen Veränderungen, da ATP die primäre Energiequelle für zelluläre Prozesse ist. Hier sind einige der Hauptfolgen: 1. **Energiekrise**: ATP ist notwendig für viele zelluläre Funktionen, einschließlich Muskelkontraktion, Ionentransport und Synthese von Biomolekülen. Ohne ausreichendes ATP können diese Prozesse nicht effizient ablaufen. 2. **Störung des Ionengleichgewichts**: ATP-abhängige Ionenpumpen, wie die Natrium-Kalium-Pumpe, können nicht mehr arbeiten, was zu einem Ungleichgewicht der Ionen und einer gestörten Zellhomöostase führt. 3. **Erhöhte anaerobe Glykolyse**: Um den ATP-Mangel zu kompensieren, kann die Zelle vermehrt auf anaerobe Glykolyse zurückgreifen, was zu einer Ansammlung von Laktat und einer Absenkung des pH-Werts führt. 4. **Zellulärer Stress und Schädigung**: Ein Mangel an ATP kann zu oxidativem Stress und Schädigung von Zellstrukturen führen, da die Zelle nicht in der Lage ist, schädliche freie Radikale effektiv zu neutralisieren. 5. **Aktivierung von Notfallmechanismen**: Die Zelle kann Notfallmechanismen aktivieren, wie die Autophagie, um beschädigte Zellbestandteile abzubauen und Nährstoffe zu recyceln. 6. **Zelltod**: Bei anhaltendem ATP-Mangel kann die Zelle schließlich in den programmierten Zelltod (Apoptose) oder den unkontrollierten Zelltod (Nekrose) übergehen. Diese Prozesse verdeutlichen, wie kritisch ATP für das Überleben und die Funktion von Zellen ist.

Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselweg, der in nahezu allen lebenden Zellen vorkommt. Sie dient der Umwandlung von Glukose in Pyruvat und erzeugt dabei Energie in Form von ATP und NADH. Der Prozess läuft in zehn Schritten ab, die in zwei Phasen unterteilt werden können: die Vorbereitungsphase und die Ertragsphase. 1. **Vorbereitungsphase (Investitionsphase)**: - **Schritt 1**: Glukose wird durch das Enzym Hexokinase phosphoryliert, wobei ATP zu ADP umgewandelt wird. Das Produkt ist Glukose-6-phosphat. - **Schritt 2**: Glukose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphoglukoseisomerase in Fruktose-6-phosphat umgewandelt. - **Schritt 3**: Fruktose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphofruktokinase-1 (PFK-1) phosphoryliert, wobei ein weiteres ATP zu ADP umgewandelt wird. Das Produkt ist Fruktose-1,6-bisphosphat. - **Schritt 4**: Fruktose-1,6-bisphosphat wird durch das Enzym Aldolase in zwei drei-Kohlenstoff-Verbindungen gespalten: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). - **Schritt 5**: DHAP wird durch das Enzym Triosephosphatisomerase in GAP umgewandelt, sodass zwei Moleküle GAP entstehen. 2. **Ertragsphase**: - **Schritt 6**: GAP wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase oxidiert und phosphoryliert, wobei NAD+ zu NADH reduziert wird. Das Produkt ist 1,3-Bisphosphoglycerat. - **Schritt 7**: 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratkinase in 3-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei ATP aus ADP gebildet wird. - **Schritt 8**: 3-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratmutase in 2-Phosphoglycerat umgewandelt. - **Schritt 9**: 2-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Enolase in Phosphoenolpyruvat (PEP) umgewandelt, wobei Wasser abgespalten wird. - **Schritt 10**: PEP wird durch das Enzym Pyruvatkinase in Pyruvat umgewandelt, wobei ein weiteres ATP aus ADP gebildet wird. Am Ende der Glykolyse entstehen aus einem Molekül Glukose zwei Moleküle Pyruvat, zwei Moleküle ATP (netto) und zwei Moleküle NADH. Die Pyruvatmoleküle können dann weiter in den Citratzyklus (Krebszyklus) eingeschleust oder unter anaeroben Bedingungen zu Laktat oder Ethanol fermentiert werden.