Glykolyse

In der Glykolyse wird Energie gewonnen und in Form von zwei Molekülen ATP je Molekül abgebauter D-Glucose bereitgestellt, unabhängig davon, ob Sauerstoff für die Atmungskette vorliegt oder nicht. Die Glykolyse erzeugt ungefähr ein Fünfzehntel so viel ATP auf ein Molekül D-Glucose wie der vollständige oxidative Abbau zu Kohlenstoffdioxid und Wasser im Citratzyklus und in der Atmungskette. Daher wird unter aeroben Bedingungen auch weniger Glucose verstoffwechselt, was bereits 1861 von Louis Pasteur bei Hefen beobachtet wurde (Pasteur-Effekt).

Da die Glykolyse auch unter anoxischen Bedingungen abläuft, eröffnet dies einige vorteilhafte Möglichkeiten im Stoffwechsel. Beispielsweise können Mikroorganismen in einem anoxischen Milieu auf diese Weise Energie gewinnen. Bei Wirbeltieren wird im Falle starker Muskelbeanspruchung manchmal mehr Sauerstoff verbraucht als in die Zellen transportiert wird. Daher muss die Zelle ihre Energie kurzfristig ausschließlich aus der Glykolyse beziehen. Dies ist häufig bei größeren Tieren wie Alligatoren, Krokodilen, Elefanten, Nashörnern, Walen und Robben der Fall, bei denen Sauerstoff für den oxidativen Abbau von Glucose nicht schnell genug bereitgestellt werden kann.[14] Auch beim Menschen wird Glucose in schnell kontrahierenden Muskelzellen im Zuge der Glykolyse und der Milchsäuregärung zu Lactat umgesetzt. Ein großer Vorteil der Glykolyse ist die Tatsache, dass ATP dabei 100-mal so schnell bereitgestellt werden kann wie über die oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette.[15]

Pflanzen gewinnen ihre Energie entweder aus der Photosynthese oder aus der Atmungskette. Es gibt jedoch auch Situationen, in denen temporär Licht und Sauerstoff nicht zur Verfügung steht, beispielsweise bei der Imbibition während der Samenkeimung oder bei einer zeitweiligen Überflutung der Wurzeln mit Wasser. Unter diesen Bedingungen wird der lokale Stoffwechsel durch die Glykolyse aufrechterhalten.[16]

Erythrozyten decken ihren Energiebedarf ausschließlich aus der Glykolyse.

Zellen im Gehirn müssen den größten Teil ihrer Energie aus der Glykolyse gewinnen, manche spezialisierte Zellen beziehen ihre Energie sogar ausschließlich aus der Glykolyse. Darunter fallen beispielsweise Zellen des Nierenmarks, ferner Erythrozyten, denen die Mitochondrien und damit die Atmungskette fehlen, und Spermien.[17] Schließlich gehören schnell wachsende und sich teilende Tumorzellen ebenfalls dazu. Otto Warburg entdeckte 1930, dass Tumorzellen eine sehr viel höhere Glykolyserate besitzen als gesunde Zellen. In der Positronen-Emissions-Tomographie wird dies genutzt, um Tumorgewebe bildlich darzustellen.

Die Glykolyse bereitet Glucose nicht nur für den oxidativen Abbau vor, sondern liefert auch Vorläufer für die Biosynthese anderer Verbindungen. So ist Pyruvat Ausgangsstoff für die Fettsäuresynthese und für manche Aminosäuren (L-Alanin, L-Valin und L-Leucin). Aus Dihydroxyacetonphosphat wird reduktiv Glycerin-3-phosphat gebildet, welches bei der Synthese von Lipiden eine Rolle spielt. Phosphoenolpyruvat ist Ausgangsstoff für die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren L-Phenylalanin, L-Tryptophan und L-Tyrosin, während L-Serin aus 3-Phosphoglycerat gebildet wird.[18][19]

In der Glykolyse wird neben ATP auch das Reduktionsmittel NADH erzeugt. Dies wird entweder in der Atmungskette für einen weiteren ATP-Gewinn reoxidiert oder als Reduktionsmittel für die Synthese anderer Moleküle verwendet – zumindest zum Zwecke der NAD⁺-Regeneration in Gärungen.

Die Glykolyse findet im Zytoplasma einer Zelle statt. In multizellulären Organismen – wie beispielsweise dem Menschen – wird die Glykolyse in allen (differenzierten) Zelltypen durchgeführt. Pflanzen betreiben die Glykolyse auch zusätzlich in den Plastiden.[20]

Ablauf der Glykolyse: Ein Molekül Glucose wird zu zwei Molekülen Pyruvat umgesetzt, dabei werden zunächst zwei Moleküle ATP investiert. Im späteren Verlauf der Glykolyse werden vier Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH erzeugt. Abkürzungen:
Glu-6-P = Glucose-6-phosphat
Fru-6-P = Fructose-6-phosphat
Fru-1,6-bP = Fructose-1,6-bisphosphat
DHAP = Dihydroxyacetonphosphat
GAP = Glycerinaldehyd-3-phosphat
1,3-bPG = 1,3-Bisphosphoglycerat
3-PG = 3-Phosphoglycerat
2-PG = 2-Phosphoglycerat
PEP = Phosphoenolpyruvat
Pyr = Pyruvat

Der Abbau von Glucose bis zu Pyruvat läuft sowohl unter Sauerstoffmangelbedingungen (anaerob) als auch bei ausreichendem Sauerstoffangebot (aerob) gleichartig ab. Im Gegensatz zur Atmungskette wird kein Sauerstoff (O₂) verbraucht.

Die Glykolyse lässt sich in zwei Phasen unterteilen. Die erste Phase ist eine Vorbereitungsphase, bei der zunächst Energie in Form von ATP investiert wird. Sie besteht aus der Spaltung der Hexose D-Glucose in zwei Triosephosphate: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) (vgl. Abbildung). Hierbei wird DHAP in GAP für die zweite Phase isomerisiert. Dadurch wird der Zucker für den eigentlichen Abbau vorbereitet.

${\displaystyle \mathrm {{\text{Glucose}}+2\ ATP{\xrightarrow {Vorbereitungsphase}}} }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ {\text{GAP}}+2\ ADP} }$

In der zweiten Phase werden zwei Moleküle GAP über mehrere Zwischenschritte in zwei Moleküle Pyruvat (Pyr) umgesetzt. Dabei werden zwei Moleküle NADH sowie vier Moleküle ATP gebildet. Diese Phase liefert somit Energie in Form von 4 ATP und 2 Reduktionsäquivalente NADH.

${\displaystyle \mathrm {2\ {\text{GAP}}+4\ ADP+2\ P_{i}+2\ NAD^{+}{\xrightarrow {Amortisierungsphase}}} }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ {\text{Pyruvat}}+4\ ATP+2\ NADH+2\ H^{+}+2\ H_{2}O} }$

Die Gesamtbilanz der Glykolyse kann damit wie folgt formuliert werden:

${\displaystyle \mathrm {{\text{Glucose}}+2\ ADP+2\ P_{i}+2\ NAD^{+}\longrightarrow } }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ {\text{Pyruvat}}+2\ ATP+2\ NADH+2\ H^{+}+2\ H_{2}O} }$

Der erste Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von D-Glucose (Glc) zu Glucose-6-phosphat (G6P). In Abhängigkeit vom Zelltyp wird diese Reaktion durch eine Hexokinase oder Glucokinase (Hexokinase IV) katalysiert, bei der ein Molekül ATP investiert wird. Dies hat zwei Vorteile: Zum einen ist die Zellmembran zwar aufgrund der in ihr vorhandenen Glucosekanäle (z. B. GLUT-1) durchlässig für Glucose, nicht aber für das durch die Phosphorylierung entstehende Glucose-6-phosphat. Dadurch reichert es sich in der Zelle an. Zum anderen verringert sich durch die Phosphorylierung der Glucose die Glucosekonzentration in der Zelle, während die Konzentration an G6P umgekehrt ansteigt. Die initiale Phosphorylierung bewirkt damit, dass innerhalb der Zelle weniger Glucose vorliegt als außerhalb der Zelle. Da die intrazelluläre Glucosekonzentration dadurch im Ungleichgewicht zu der extrazellulären steht, strömt weitere Glucose entlang dieses entstandenen Konzentrationsgefälles durch die Glucosekanäle der Zelle ein. Infolgedessen ist die Aufnahme von Glucose begünstigt.

In Bakterien wird die Phosphorylierung im ersten Schritt der Glykolyse nicht durch Hexo- beziehungsweise Glucokinasen, sondern durch das Phosphoenolpyruvat (PEP)-abhängige Zucker-Phosphotransferasesystem katalysiert.[21]

Glucose-6-phosphat wird dann von der Glucose-6-phosphat-Isomerase in das isomere Fructose-6-phosphat (F6P) umgebaut. Das Enzym bevorzugt die Bindung des alpha-Anomers der G6P, als Reaktionsprodukt entsteht α-D-Fructose-6-phosphat. Unter Standardbedingungen liegt zwar das Gleichgewicht der Isomerisierungsreaktion auf Seite des G6P. Aber da F6P schnell weiterreagiert, wird dieses dem Reaktionssystem entzogen, so dass sich kein Gleichgewicht einstellt und die Isomerisierungsreaktion zu Gunsten des F6P abläuft.

	ATP     ADP Hexokinase oder Glucokinase		Glucose- 6-phosphat- Isomerase
α-D-Glucose		α-D-Glucose-6-phosphat		α-D-Fructose-6-phosphat

Fructose-6-phosphat wird danach unter Einwirkung des ersten Schlüsselenzyms der Glykolyse, Phosphofructokinase 1, mit einem Molekül ATP zu Fructose-1,6-bisphosphat (F1,6bP) phosphoryliert, wobei ADP entsteht. Das Enzym bevorzugt das beta-Anomer des F6P, in der Vorreaktion ist dagegen das alpha-Anomer entstanden. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die beiden Anomere im Gleichgewicht stehen (Mutarotation). In anaeroben Bakterien, manchen Pflanzen, primitiven Eukaryoten und manchen Archaeen wird dieser Schritt von einer Pyrophosphat-abhängigen Phosphofructokinase (EC 2.7.1.90) katalysiert, bei der Pyrophosphat (PP_i, von engl. pyrophosphate, inorganic) anstatt ATP verwendet wird.[22]

	ATP     ADP Phospho- fructo- kinase
β-D-Fructose-6-phosphat		β-D-Fructose-1,6-bisphosphat

Die damit erneute Investition von Energie ist aus zwei Gründen günstig und notwendig: Zum einen macht dieser Schritt – neben der Glucokinase sowie der Pyruvatkinase – die Glykolyse unter physiologischen Bedingungen unumkehrbar. Zum anderen ermöglicht die hier zugeführte Energie die Spaltung der Hexose im nächsten Schritt und damit die Bildung von zwei phosphorylierten Triosen für den weiteren Abbau, Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Die Kohlenstoffatome C1-C3 der F1,6bP finden sich in DHAP, während die C-Atome in GAP aus der C4-C6 Einheit der F1,6bP stammen.

Die Spaltungsreaktion ist unter Standardbedingungen sehr ungünstig (ΔG⁰’ = +24 kJ/mol) und würde nicht ablaufen. Durch die schnelle Metabolisierung beider Reaktionsprodukte läuft sie aber unter physiologischen Bedingungen im annähernden Gleichgewicht ab. Dihydroxyacetonphosphat wird noch von der Triosephosphatisomerase (TIM) in D-Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt. Diese stereospezifische Isomerisierung in Richtung GAP wird dadurch begünstigt, dass GAP in der Glykolyse weiter abgebaut wird und damit die Konzentration in der Zelle niedrig gehalten wird. Ohne weitere Metabolisierung würde das Gleichgewicht zwischen DHAP und GAP stark auf Seiten des Ketons, also DHAP liegen (22:1).[23]

	Aldolase		Triose- phosphat- Isomerase
β-D-Fructose-1,6-bisphosphat		Dihydroxy- aceton- phosphat		D-Glycerin- aldehyd- 3-phosphat

Jedes der beiden resultierenden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle wird zu Beginn der Amortisierungsphase der Glykolyse durch eine Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) oxidiert. Bei der Reaktion wird NAD⁺ zu NADH reduziert. Die Oxidation der Aldehydgruppe (GAP) zur Carboxygruppe ist energetisch sehr günstig. Sie wird ausgenutzt, um anorganisches Phosphat mit der Carboxygruppe zu verknüpfen. Es entsteht dadurch das gemischte Säureanhydrid 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG). Das Gleichgewicht dieser Reaktion ist zwar auf Seiten des Eduktes GAP gegenüber 1,3-BPG (10:1).[23] Durch die schnelle Umsetzung des Produktes wird aber die Einstellung des Gleichgewichts verhindert und ständig 1,3-BPG gebildet, außerdem begünstigt eine hohe Konzentration an NAD⁺ gegenüber NADH die Umsetzung in eine Richtung.

Ein in Erythrozyten vorhandener alternativer Nebenweg, vom 1,3-Bisphosphoglycerat zum 3-Phosphoglycerat, ist der über das Intermediat 2,3-Bisphosphoglycerat verlaufende Rapoport-Luebering-Zyklus, dessen zentrales Enzym die trifunktionale Bisphosphoglyceratmutase ist.

	NAD+   NADH + Pi       + H+ Glycerinaldehyd- 3-phosphat- Dehydrogenase
D-Glycerinaldehyd-3-phosphat		D-1,3-Bisphosphoglycerat

Im nächsten Schritt erzeugt die Phosphoglyceratkinase je ein Molekül ATP bei der Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglycerat zu 3-Phosphoglycerat durch Übertragung eines Phosphatrests auf ADP. Die bei der vorangegangenen Oxidation frei gewordene Energie wird also konserviert, indem ATP aufgebaut wird. Die hier stattfindende Bildung von ATP aus ADP ist ein Beispiel der Substratkettenphosphorylierung. Falls die Zelle bereits viel ATP (und damit wenig ADP) hat, hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht. Diese Feedbackregulation ist wichtig, da ATP relativ schnell zerfällt, wenn es nicht genutzt wird. Überproduktion von ATP wird somit verhindert.

Die Energiebilanz der Glykolyse ist an diesem Schritt ausgeglichen: zwei Moleküle ATP wurden verbraucht und zwei wieder gewonnen

	Phospho- glycerat- kinase ADP     ATP
D-1,3-Bisphosphoglycerat		D-3-Phosphoglycerat

Die Enolform des Pyruvates

Eine Kofaktor-unabhängige Phosphoglyceratmutase (PGM) katalysiert dann die Umwandlung von 3-Phosphoglycerat zu 2-Phosphoglycerat. Bei dem Vorgang wird die Phosphatgruppe zwischenzeitlich auf einen Aminosäurerest des Enzyms übertragen. In Erythrozyten wird diese Reaktion von einer Cofaktor-abhängigen PGM katalysiert, bei der 2,3-Bisphosphogylcerat als Zwischenprodukt gebildet wird.

2-Phosphoglycerat wird dann mit Hilfe der Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) dehydratisiert. Daher nennt man das Enzym auch 2-Phosphoglycerat-Dehydratase. PEP ist eine phosphorylierte Verbindung mit einem sehr hohen Gruppenübertragungspotential. Dies wird im letzten Schritt der Glykolyse genutzt, um ein weiteres Molekül ATP zu gewinnen. Hierbei katalysiert eine Pyruvatkinase (PK) unter ATP-Gewinn die Umsetzung von PEP zu Pyruvat (= Anion der Brenztraubensäure). Dabei entsteht jedoch nicht Pyruvat direkt, sondern das im Gleichgewicht stehende Enolpyruvat.[24] Bei pH 7 liegt das Gleichgewicht auf Seiten der Ketonform. Auch dieser Schritt ist ADP-reguliert, es ist die dritte, irreversible Reaktion im Verlauf der Glykolyse.

	Phospho- glycerat- Mutase		−H2O Enolase		ADP     ATP Pyruvatkinase
D-3-Phosphoglycerat		D-2-Phosphoglycerat		Phosphoenolpyruvat		Pyruvat

Bei Phosphatmangel können Pflanzen PEP ohne ATP-Gewinn zu Pyruvat hydrolysieren, was in den Vakuolen stattfindet. Das beteiligte Enzym ist eine PEP-Phosphatase (EC 3.1.3.60), die anorganisches Phosphat freisetzt und damit dem Phosphatmangel entgegensteuert.[25]

Unter oxischen Bedingungen wird Pyruvat im Pyruvatdehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA oxidativ decarboxyliert. Hierbei entstehen ein Molekül Kohlenstoffdioxid und ein Molekül NADH. Acetyl-CoA tritt anschließend in den Citratzyklus ein, in dem es vollständig zu zwei Molekülen Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Bei diesen Oxidationsschritten entstehen weitere Moleküle NADH. Diese und die aus der Glykolyse stammenden werden schließlich im Zuge der Atmungskette unter Verbrauch von Sauerstoff reoxidiert und somit steht NAD⁺ wieder der Glykolyse und dem Citratzyklus zur Verfügung. Gleichzeitig werden bei diesen Schritten weitere Moleküle ATP gebildet. Während Prokaryoten etwa insgesamt 38 Moleküle ATP je Molekül Glucose erzeugen können, hängt die Bilanz bei Eukaryoten vom Weg ab, auf dem im Cytosol gebildetes NADH die Mitochondrienmembran passiert (Malat-Aspartat-Shuttle beziehungsweise Glycerin-3-phosphat-Shuttle).

In Eukaryoten findet der Citratzyklus in der Matrix des Mitochondriums, die Glykolyse hingegen im Cytosol statt. NAD⁺ und NADH können nicht frei durch die innere Membran des Mitochondriums diffundieren, außerdem fehlen spezielle Translokatoren. Der Austausch von NAD⁺ und NADH findet daher entweder durch den Malat-Aspartat-Shuttle oder den Glycerin-3-phosphat-Shuttle statt.

In der Literatur werden manchmal die Glykolyse und der Folgeabbau von Pyruvat zu Kohlenstoffdioxid durch die Prozesse des Citratzyklus und der Atmungskette fälschlicherweise als aerobe Glykolyse zusammengefasst. Die Glykolyse endet jedoch mit der Entstehung von Pyruvat und findet sowohl unter oxischen als auch anoxischen Bedingungen statt.

→ siehe auch Hauptartikel alkoholische Gärung, Milchsäuregärung

Bei der homofermentativen Milchsäuregärung wird das in der Glykolyse verbrauchte NAD⁺ wieder regeneriert.

Steht Sauerstoff nicht oder nur begrenzt zur Verfügung, kann Pyruvat reduktiv weiter umgesetzt werden, beispielsweise in der Milchsäuregärung oder in der alkoholischen Gärung. In der Milchsäuregärung wird Pyruvat mit NADH zu L-Lactat reduziert, in der alkoholischen Gärung wird es zu Ethanol decarboxyliert und reduziert. In beiden Fällen wird NADH zu NAD⁺ oxidiert und liegt für weitere Runden der Glykolyse bereit. In diesen Gärungsschritten wird aber im Gegensatz zum aeroben Abbauweg kein ATP gebildet.

In der alkoholischen Gärung bilden Hefen Ethanol aus Pyruvat in zwei Reaktionsschritten, die durch zwei Enzyme, die Pyruvatdecarboxylase (EC 4.1.1.1) und die Alkoholdehydrogenase, katalysiert werden. Dabei wird das durch die Glykolyse angefallene NADH zu NAD⁺ oxidiert. Bakterien, beispielsweise Milchsäurebakterien, sowie Muskelzellen im Menschen betreiben die Milchsäuregärung (vgl. auch Abbildung rechts). Hierbei wird Pyruvat durch eine Lactatdehydrogenase mittels NADH zu Lactat reduziert, sodass die Glykolyse weiter ablaufen kann. Diese Reaktion ist sowohl unter Standardbedingungen als auch unter physiologischen Bedingungen stark exergonisch (ΔG⁰′ = −25 kJ/mol beziehungsweise ΔG = −14,8 kJ/mol).[26]

Die (homofermentative) Milchsäuregärung wird teilweise als anaerobe Glykolyse bezeichnet. Dies ist jedoch irreführend, da die Glykolyse mit dem Entstehen von Pyruvat endet und sowohl unter oxischen als auch anoxischen Bedingungen stattfindet.

Da die Glykolyse im Zytosol von Zellen abläuft, kann sie auch in Zellen ohne Mitochondrien ablaufen. Hier kann NADH jedoch nicht durch den Citratzyklus und die Atmungskette zu NAD⁺ oxidiert werden, sondern ohne Sauerstoffverbrauch durch Reduktion von Pyruvat zu Lactat, katalysiert durch Lactatdehydrogenase. Also entstehen in den Erythrozyten beim Abbau eines Glukosemoleküls nur zwei Moleküle ATP, durch die jedoch der Bedarf dieser Zellen gedeckt wird.

Die meisten Reaktionen der Glykolyse sind unter Standardbedingungen bei einem pH-Wert von 7 energetisch ungünstig. So ist häufig die Änderung der freien Enthalpie G⁰’ positiv, so dass jene Reaktionen endergon sind und nicht ablaufen würden (vgl. Tabelle ΔG⁰’-Werte). Die Glykolyse würde bereits im vierten Schritt enden.

Definitionsgemäß entspricht die Stoffmengenkonzentration der Reaktanten unter solchen Bedingungen jeweils 1 mol·l⁻¹. Dies kann aber nicht als Grundlage einer Berechnung dienen, da lebende Zellen solch hohe Konzentrationen nicht erzeugen beziehungsweise aufrechterhalten können. Für eine aussagekräftige Beurteilung müsste man dagegen die tatsächlichen Stoffmengenkonzentrationen kennen. Misst man diese unter physiologischen Bedingungen, kann die Änderung der freien Enthalpie G neu berechnet werden (vgl. Tabelle ΔG-Werte, Metabolitkonzentration).

Für die Berechnung dieser Werte bieten sich insbesondere Erythrozyten an.[29] Erythrozyten beziehen ihre gesamte Energie ausschließlich aus der Glykolyse. Dabei finden auch alle übrigen zellulären Reaktionen im Cytoplasma statt, da sie weder über Mitochondrien, einen Zellkern noch ein Endoplasmatisches Retikulum verfügen. Dies erleichtert außerdem die Trennung der Zellbestandteile. Ohne Mitochondrien finden auch keine Reaktionen der Atmungskette und des Citratzyklus statt. Eine Quantifizierung der daran beteiligten Coenzyme wäre sonst erheblich erschwert. Schließlich nimmt der Pentosephosphatweg nur einen geringen Anteil am Stoffwechsel von Erythrozyten ein, es erfolgt auch keine Protein- und keine Lipidbiosynthese. Damit können die glykolytischen Zwischenprodukte leicht isoliert und bestimmt werden.

1965 wurden die Stoffmengenkonzentrationen (steady state) glykolytischer Intermediate aus menschlichen Erythrozyten bestimmt (vgl. Tabelle rechts).[30] Es ergab sich, dass gewisse Intermediate in sehr niedrigen Konzentrationen vorliegen.[31] Unter Berücksichtigung dieser Konzentrationen ändert sich die Gleichgewichtslage der korrespondierenden Reaktionen derart, dass unter physiologischen Bedingungen die gesamte Glykolyse bis auf drei Reaktionen reversibel verläuft (ΔG ungefähr 0 kJ·mol⁻¹).

Bei jenen Reaktionen bleibt die Stoffmengenkonzentration deswegen so niedrig, weil die erzeugten Produkte schnell umgesetzt und abschließend durch irreversible Reaktionen dem System entzogen werden. Diese drei irreversiblen Reaktionen werden von den Schlüsselenzymen Glucokinase beziehungsweise Hexokinase, Phosphofructokinase 1 sowie Pyruvatkinase katalysiert. Durch die schnelle, irreversible Umsetzung mittels eines der Schlüsselenzyme werden die Stoffmengenkonzentrationen der vorher erzeugten Produkte ausreichend abgesenkt – die Glykolyse kann in eine Richtung ablaufen.

Bei der Berechnung der Gleichgewichtslage unter physiologischen Bedingungen ergeben sich für manche Reaktionen kleine, aber dennoch positive ΔG-Werte, beispielsweise bei der Isomerisierung von 3-Phosphoglycerat zu 2-Phosphoglycerat (ΔG = +0,8 kJ·mol⁻¹). Streng genommen können diese Werte nicht ganz stimmen, da die Vorwärtsreaktion nur bei negativen ΔG-Werten stattfinden kann. Da die Glykolyse aber stattfindet, nimmt man an, dass für diesen Widerspruch Messfehler bei der Bestimmung der Stoffmengenkonzentrationen verantwortlich sind.[32]

Aus dem Vorhandensein dreier Kontrollpunkte ergeben sich zwei Konsequenzen. Erstens kann die Glykolyse an jenen Stellen effektiv reguliert werden, so dass sie abhängig vom Energiestatus der Zelle schnell an- beziehungsweise abgeschaltet werden kann. Zweitens ermöglicht die vorliegende Gleichgewichtslage auch die Umkehrreaktion der Glykolyse, die Gluconeogenese. Bis auf drei Enzyme werden hierbei alle Enzyme der Glykolyse verwendet.

Unter Standardbedingungen wird bei der Umsetzung von D-Glucose zu zwei Molekülen Lactat 183,6 kJ/mol Energie frei (ΔG⁰’ = −183,6 kJ/mol):

${\displaystyle \mathrm {{\text{Glucose}}\longrightarrow } }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ {\text{Lactat}}+2\ H^{+}\qquad \Delta G^{0\,'}=-183,6\ kJ/mol} }$

Für den Aufbau von zwei Molekülen ATP aus jeweils zwei Molekülen ADP sowie anorganischem Phosphat (P_i) werden 61,0 kJ/mol benötigt:

${\displaystyle \mathrm {2\ ADP+2\ P_{i}\longrightarrow } }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ ATP+2\ H_{2}O\qquad \Delta G^{0\,'}=61,0\ kJ/mol} }$

Da die Glykolyse diese zwei Reaktionen durch Substratkettenphosphorylierung koppelt, wird somit eine Energie von 122,6 kJ/mol frei:

ΔG⁰’ = (−183,6 + 61) kJ·mol⁻¹ = −122,6 kJ·mol⁻¹

Unter Standardbedingungen werden beim anaeroben Abbau von Glucose zu Lactat damit 33 % der verfügbaren Energie genutzt, um zwei Moleküle ATP aufzubauen. Da unter physiologischen Bedingungen etwa 50 kJ·mol⁻¹ für den Aufbau von ATP benötigt werden, ist die Energieausbeute auch etwas höher, etwa 50 %.[33]

Die Hexokinase ist das erste Enzym in der Glykolyse, dessen Aktivität reguliert wird. Es phosphoryliert unter ATP-Verbrauch Glucose zu Glucose-6-phosphat (G6P), kann aber auch andere Hexosen als Substrat verwenden. G6P ist das Endprodukt der Hexokinasereaktion und inhibiert als solches das Enzym allosterisch.[35]

Das in der Leber vorkommende Isoenzym der Hexokinase, die Glucokinase, wird nicht durch das Produkt G6P inhibiert. Im Gegensatz zur Hexokinase zeigt es auch einen höheren K_M-Wert. Daher löst die Glucokinase erst bei sehr hohen Glucosekonzentrationen die Hexokinase ab. Unter diesen Bedingungen wird G6P durch nachfolgende Schritte aber als Glykogen gespeichert und nicht in der Glykolyse abgebaut, denn G6P wird auch für andere Stoffwechselwege abgezweigt. Die Leber fungiert daher als Homöostat des Blutzuckerspiegels, da sie diesen durch den Auf- beziehungsweise Abbau von Glucose aufrechterhält.[36]

Ein leberspezifisches, regulatorisches Protein kann reversibel an die Glucokinase binden und sie dadurch hemmen. Das Binden dieses Regulators an die Glucokinase findet im Zellkern statt, so dass die gehemmte Glucokinase dort inaktiv verbleibt und nicht durch andere cytosolische Effektoren beeinflusst werden kann. Diese Bindung wird dann verstärkt, falls das Enzym allosterisch durch Fructose-6-phosphat modifiziert wurde. Dagegen bewirkt Glucose ein Ablösen dieses Leberproteins. Bei einer hohen Blutzuckerkonzentration dominiert Glucose, so dass die Dissoziation des Regulators ermöglicht und Glucose zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert wird. Sinkt der Blutzuckerspiegel aber zu sehr ab (unter 5 mmol·l⁻¹), erfolgt die Hemmung der Glucokinase – vermittelt durch Fructose-6-phosphat. Glucose wird nicht mehr phosphoryliert und kann die Leber wieder verlassen, um anderen Organen zur Verfügung zu stehen.[36]

Schließlich wird die Glucokinase auf Ebene der Transkription reguliert.[35] Hierbei beeinflusst das Hormon Insulin die Menge an Glucokinase in der Leber. Eine Stoffwechselstörung liegt bei Patienten mit Diabetes mellitus vor, da sie Insulin nicht ausreichend herstellen können. Bei ihnen ist die Menge an Glucokinase zu niedrig, sie tolerieren nicht eine hohe Blutzuckerkonzentration und weisen nur wenig Glucokinase in der Leber auf.

Der wichtigste Kontrollpunkt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Frc-6-P zu Frc-1,6-bP durch die Phosphofructokinase-1 (PFK-1). Er stellt den ersten wirklichen glykolysespezifischen Schritt dar und ist unter physiologischen Bedingungen irreversibel.[37] Das Enzym weist zwei Bindungsstellen für ATP auf. Neben einer hochaffinen Substratbindestelle verfügt die PFK-1 auch über eine regulatorische Bindestelle. So kann ATP sowohl als Substrat dienen, als auch die PFK-1 allosterisch hemmen. Bei ausreichend hohen ATP-Konzentrationen wird der K_M-Wert des Enzyms erhöht. Dies senkt die Aktivität der PFK-1, so dass die Glykolyse gedrosselt wird. Dennoch schwanken die ATP-Konzentrationen einer Zelle nur geringfügig, so dass ATP alleine nicht ausreichend wäre für eine genaue Regulation. Daher hängt die Aktivität der PFK-1 auch von der AMP-Konzentration ab und spiegelt die energetische Versorgung der Zelle wider. AMP fungiert als allosterischer, nicht kovalenter Aktivator. Falls der Energiezustand der Zelle hoch ist (ATP-Konzentration hoch, AMP-Konzentration niedrig), wird das Enzym gehemmt, andernfalls wird die Aktivität der PFK-1 erhöht, um mehr ATP zu bilden.[38]

Auch Citrat inhibiert die PFK-1 allosterisch. Citrat ist ein Schlüsselmetabolit des Citratzyklus, dessen primärer Zweck die Erzeugung von Energie unter aeroben Bedingungen ist. Alternativ können aus dem Citratzyklus verschiedene Vorläufermoleküle entnommen werden. Falls viel Citrat vorliegt, ist der Citratzyklus gesättigt. Daher inhibiert Citrat die PFK-1 im Sinne einer Endprodukthemmung, so dass die Glykolyse den Citratzyklus weniger stark speist.

β-D-Fructose-2,6-bisphosphat, ein potenter Aktivator der Phosphofructokinase-1

Die Aktivität der Phosphofructokinase-1 wird auch durch den pH-Wert beeinflusst. Ein niedriger pH-Wert hemmt das Enzym und drosselt die Glykolyse. Dies passiert beispielsweise bei starker Muskelbeanspruchung, bei der viel Milchsäure entsteht. Diese senkt den pH-Wert in den Zellen.[39]

Schließlich wird PFK-1 in mikromolaren Konzentrationen durch β-D-Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-bP) allosterisch aktiviert.[39] Durch F-2,6-bP wird damit die Glykolyse gefördert, während sie die Fructose-1,6-bisphosphatase inhibiert. Dies ist das Enzym, das an dieser Stelle die Rückreaktion in der Gluconeogenese katalysiert. Unter physiologischen Bedingungen verbleibt das Enzym ohne F-2,6-bP in einem praktisch inaktiven Zustand.[36] Nach Binden von F-2,6-bP an PFK-1 wird auch die Affinität der beiden Inhibitoren ATP und Citrat reduziert.

In Bakterien kommt Fructose-2,6-bisphosphat als Aktivator der PFK-1 nicht vor.[39]

Der letzte Schritt in der Glykolyse ist irreversibel und wird von der Pyruvatkinase (PK) katalysiert. Diese wird zwar auch reguliert, aber im Gegensatz zu den anderen beiden Enzymen in vergleichsweise untergeordneter Weise. Fructose-1,6-bisphosphat und AMP stimulieren die PK, während ATP, Acetyl-CoA und L-Alanin diese allosterisch hemmen. Das in der Leber und Darm vorherrschende Isoenzym (L-Form) kann im Gegensatz zu der im Muskel vorkommenden M-Form zusätzlich durch die Proteinkinase A phosphoryliert werden. Die Aktivität der Proteinkinase A wird hormonell durch Glukagon vermittelt. In phosphorylierter Form wird dieses Isoenzym dann vergleichsweise stärker durch ATP und Alanin inhibiert als die unmodifizierte PK.[40] Dies soll ein Abbau von Glucose in der Leber verlangsamen, damit dieses eher für andere Organe zur Verfügung steht. Die Dephosphorylierung wird durch eine Phosphatase katalysiert.

Glycerin entsteht beim Abbau von Triglyceriden und kann als Vorstufe der Glykolyse beziehungsweise Gluconeogenese dienen. Eine cytosolische Glycerinkinase phosphoryliert Glycerin unter ATP-Verbrauch zu Glycerin-3-phosphat, welches dann zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert wird. Entweder wird dies von einer cytosolischen Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase (cGDH) oder einem membranständigen Isoenzym im Mitochondrium (mGDH) katalysiert. Bei ersterer wird NAD⁺, bei letzterer Ubichinon reduziert.

Eintritt von Fructose in die Glykolyse.
Fructose (1), Fru-1-P (2), DHAP (3), Glycerinaldehyd (4), GAP (5)
Fructokinase (FK), Aldolase B (ALD-B), Triosephosphatisomerase (TPI), Triosekinase (TK)

Bei der Spaltung des Disaccharids Saccharose werden Glucose und Fructose freigesetzt. Fructose wird bei höheren Tieren in der Leber zu Fructose-1-phosphat phosphoryliert, was durch eine Fructokinase (Ketohexokinase, FK) unter ATP-Verbrauch katalysiert wird. Anschließend spaltet die Aldolase B (Fructose-1-phosphat-Aldolase, ALD-B) Fructose-1-phosphat in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd. DHAP beziehungsweise Glycerinaldehyd werden beide in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt. Diese beiden Umsetzungen werden von einer weiter oben beschriebenen Triosephosphatisomerase (TPI) beziehungsweise einer Triosekinase (TK) unter ATP-Verbrauch katalysiert. Fehlt die Fructokinase, führt dies bei höheren Tieren zu einer Fructosurie, einer autosomal-rezessiven Erbkrankheit.[43]

In anderen Organen kann auch die Hexokinase die Funktion der Fructokinase übernehmen, um Fructose zu phosphorylieren. Ihre Affinität zur Glucose gegenüber der Fructose ist aber wesentlich höher (95 % Glucose, 5 % Fructose).

D-Mannose ist Bestandteil verschiedener Glykoproteine und Polysaccharide. Um in die Glykolyse eintreten zu können, wird Mannose zunächst durch eine Hexokinase zu Mannose-6-phosphat unter ATP-Verbrauch phosphoryliert. Dieses wird schließlich zu Fructose-6-phosphat isomerisiert, was durch Mannose-6-phosphat-Isomerase (auch Phosphomannoseisomerase, EC 5.3.1.8) katalysiert wird.

Sorbit kann im Polyolweg zu Glucose beziehungsweise Fructose oxidiert werden.

Eintritt von Galactose in die Glykolyse.
Galactose (1), Galactose-1-phosphat (2), UDP-Glucose (3), UDP-Galactose (4), Glu-1-P (5), Glu-6-P (6).
Galactokinase (GK), Galactose-1-phosphat-Uridyltransferase (GALT), UDP-Glucose-4-Epimerase (UGE), Phosphoglucomutase (PGM)

Nach Spaltung von Milchzucker werden D-Glucose und D-Galactose freigesetzt. Um Galactose in sein C4-Epimer Glucose zu überführen, wird der Zucker zunächst durch eine Galactokinase (GK) unter Verbrauch von ATP zu Galactose-1-phosphat umgesetzt. Eine Galactose-1-phosphat-Uridyltransferase (GALT) katalysiert nun einen Austausch von UDP-gebundener Glucose mit Galactose. Hierbei entstehen Glucose-1-phosphat und UDP-Galactose. Während Glucose-1-phosphat durch eine Phosphoglucomutase (PGM) zu Glucose-6-phosphat isomerisiert wird, epimerisiert eine UDP-Glucose-4-Epimerase (UGE) UDP-Galactose zu UDP-Glucose.

Ein Defekt der Galactokinase äußert sich der Stoffwechselkrankheit Galaktosämie.

Es ist bekannt, dass in Pflanzen die Glykolyse nicht nur im Cytoplasma, sondern auch in den Plastiden der Zelle unabhängig voneinander betrieben wird. Nicht immer läuft sie dort jedoch vollständig ab, da häufig Enzyme der Amortisierungsphase fehlen, beispielsweise die Enolase oder die Phosphoglyceratmutase. Durch hochspezifische Translokatoren können Intermediate von einem zum anderen Zellkompartiment transportiert werden, um so alle Reaktionsschritte der Glykolyse zu vervollständigen. Im Cytosol vieler einzelliger Grünalgen fehlen die cytosolischen Enzyme für die Glykolyse, so dass diese in den Chloroplasten vollständig abläuft.

Grüne Pflanzen nutzen die Glykolyse in den Plastiden, um in der Dunkelheit oder in nicht-photosynthetischem Gewebe Stärke zu Pyruvat unter ATP- und NADH-Gewinn abzubauen. Außerdem stellen sie dadurch verschiedene Vorläufermoleküle zum Aufbau anderer Produkte bereit, beispielsweise für die Fettsäuresynthese.

Für das parallele Betreiben der Glykolyse sowohl im Cytoplasma als auch in den Plastiden werden Isoenzyme benötigt. So gibt es beispielsweise eine Pyruvatkinase, die sich im Cytoplasma befindet, als auch eine, die im Plastid die analoge Reaktion katalysiert. Alle Isoenzyme werden im Genom der Pflanze kodiert. Die plastidären Vertreter werden im Cytoplasma der Pflanzenzelle translatiert und anschließend in das Organell transportiert. Es ist noch unklar, ob die Isoenzyme durch Genduplikation aus einem Vorläufergen entstanden sind. Möglich wäre auch ein horizontaler Gentransfer aus dem Genom eines prokaryotischen Symbionten (Endosymbiontentheorie).

Eine weitere Besonderheit ist das Verwenden von Pyrophosphat (PP_i) anstatt ATP als Phosphatdonor bei den ersten glykolytischen Reaktionen. Dies wurde ebenso in einigen Bakterien beobachtet. Normalerweise wird Pyrophosphat durch eine Pyrophosphatase (PPiase, EC 3.6.1.1) zu zwei Molekülen Phosphat hydrolysiert. Der Zweck dieser Hydrolyse ist es, biochemische Reaktionen unter physiologischen Bedingungen irreversibel zu machen. Man spricht umgangssprachlich davon, dass durch diese Hydrolyse die Reaktion auf eine Seite „gezogen“ wird. Die Erklärung dafür ist, dass die Hydrolyse exergonisch ist, dabei also Energie freigesetzt wird:

${\displaystyle \mathrm {PP_{i}+H_{2}O\longrightarrow } }$ ${\displaystyle \mathrm {2\ P_{i}\qquad \Delta G^{0}\,'=-21,92\ kJ/mol} }$[45]

Im Cytosol der Pflanzen kommt die PPiase nicht vor, so dass dort eine Pyrophosphatkonzentration von bis zu 0,3 mmol/l entstehen kann. Die 1979 entdeckte Pyrophosphat-abhängige Phosphofructokinase (PFP, EC 2.7.1.90) nutzt das Pyrophosphat für die Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat. Diese Reaktion ist außerdem reversibel und könnte auch für den umgekehrten Weg, die Gluconeogenese, verwendet werden. PFP wird wie PFK-1 durch Fructose-2,6-bisphosphat reguliert.

In Pflanzen kann PEP (Phosphoenolpyruvat) auf vielfältige Weise zu Pyruvat verstoffwechselt werden.

Pflanzen nutzen PEP aus der Glykolyse in unterschiedlicher Weise (vgl. Abbildung rechts). Im klassischen, glykolytischen Abbauweg ist die Nutzung PEPs beschränkt: Eine Pyruvatkinase (PK) nutzt PEP als Substrat zur direkten Bildung von Pyruvat. Durch Substratkettenphosphorylierung wird dabei ATP erzeugt. In Pflanzen dient PEP darüber hinaus auch als Substrat für eine PEP-Carboxykinase (PEPC), was insbesondere in Pflanzen mit C₄- beziehungsweise Crassulaceen-Säurestoffwechsel wichtig ist. Aus PEP und Hydrogencarbonat entsteht hierbei Oxalacetat, ein Intermediat des Citratzyklus. Oxalacetat wird dann durch eine cytosolische Malatdehydrogenase (MDH) zu L-Malat reduziert. L-Malat wird dann in verschiedene Organellen transportiert. Im Mitochondrium kann es durch ein mitochondrielles, NAD⁺-abhängiges Malatenzym (ME) zu Pyruvat decarboxyliert werden. Dies ist eine Umgehungsreaktion der Pyruvatkinase, bei der aber kein ATP erzeugt wird, dafür aber bei einem Phosphatmangel nützlich ist. Denn so wird das in PEP gebundene Phosphat wieder freigesetzt und steht der Pflanze für andere Reaktionen zur Verfügung. In den Wurzeln der Erbse wurde diese Umgehung nachgewiesen.

Aus durch PEPC und MDH erzeugtem L-Malat kann ein plastidäres, NADP-abhängiges Malatenzym Pyruvat erzeugen. Pyruvat wird dort für die Fettsäuresynthese benötigt oder wird zurück ins Cytosol transportiert. Auch dadurch wird die Reaktion der Pyruvatkinase umgangen, was unter Phosphatmangel vorteilhaft ist.

Unter Phosphatmangel kann auch eine PEP-Phosphatase (PEPase, EC 3.1.3.60) wertvolles Phosphat freisetzen. Hierbei wird PEP in die Vakuole transportiert und dort von einer PEPase zu Pyruvat hydrolysiert. Pyruvat und Phosphat werden dann ins Cytoplasma zurücktransportiert. Wenn kein Phosphatmangel vorliegt, wird die PEPase durch eine ausreichend hohe P_i-Konzentration inhibiert.

Schließlich gibt es auch eine cytosolische, phosphatunabhängige GADH (EC 1.2.1.9), die Glycerinaldehyd direkt zu 3-Phosphoglycerat oxidiert. Dabei entsteht nur NADPH, aber kein ATP.

Bei der Regulation der an der Glykolyse beteiligten Enzyme gibt es einige wichtige Unterschiede zu der bei Tieren.[44] So ist PEP ein besonderer allosterischer Effektor, das im Gegensatz zum Ablauf in Tieren die PFK inhibieren kann. Fructose-1,6-bisphosphat dagegen kann nicht die Pyruvatkinase aktivieren. Während Fructose-2,6-bisphosphat in Tieren die PFK aktiviert, geschieht nichts dergleichen in Pflanzen.

Damit wird die Glykolyse in grünen Pflanzen in erster Linie durch die Aktivitäten der Pyruvatkinase und PEP-Carboxykinase reguliert, in zweiter Linie durch die PFK-1 beziehungsweise PFP. Bei Tieren ist es prinzipiell umgekehrt.