Glykolyse

Ein lebenswichtiger Körperprozess

Dem menschlichen Körper wohnt eine Vielzahl von lebensnotwendigen Prozessen inne. Bei einem dieser Vorgänge handelt es sich um die Glykolyse. Diese stellt einen Schritt der Verdauung dar, nämlich der Abbau von Einfachzuckern. Das Ziel dabei ist die Gewinnung von Energie für den Körper in der Form von Pyruvat. Die Glykolyse tritt nicht nur beim Menschen, sondern bei einem Großteil der Lebewesen auf und stellt damit eine universelle Form der Energieversorgung dar.

Was ist die Glykolyse genau?

Der Prozess der Glykolyse ist der Abbau von Monosaccariden, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Dabei handelt es sich um Stoffe wie Glucose oder Fructose, also Zuckern. Im menschlichen Körper wird Fructose sehr schnell zu Glucose umgewandelt, sodass hier allgemein von diesem Zucker gesprochen werden kann.
Da es sich um einen Vorgang handelt, den ein Großteil der Lebewesen gemein haben, deutet dies auf ein hohes Alter und eine enorme Wichtigkeit des Stoffwechselschritts hin.
Insgesamt besteht der Prozess aus zehn Einzelschritten und chemischen Reaktionen, an dessen Ende die Umwandlung eines Glucose-Moleküls in zwei Pyruvat-Moleküle steht. als weiteres Ergebnis fällt ATP an, welches gerne einmal als die Stoffwechsel-Währung auf molekularer Ebene bezeichnet wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass zur Aktivierung des Vorgangs Energie in Form von ATP aufgewendet werden muss. Darüber hinaus ist als Ergebnis NADH vorhanden, was eine wichtige Rolle im menschlichen Stoffwechsel spielt. So kann NADH als Reduktionsmittel fungieren, um ATP herzustellen.
Die Glykolyse hat als Energiegewinnung der Zelle den großen Vorteil, dass sie schnell und mit wenig nötigen Nährstoffen abläuft. So gewinnen einige Körperzellen ausschließlich durch diese Methode ihre Energie wie Spermien und Teile des Nierenmarks.

Ablauf der Glykolyse

Zum allgemeinen Verständnis des Prozesses, der im Zytoplasma stattfindet, ist ein gewisses Maß an biochemischen Vorwissen sicherlich hilfreich. Der Abbau der Glucose kann sowohl unter Anwesenheit als auch unter Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen. Insofern eignet sich dieser Stoffwechselprozess für alle Gelegenheiten, damit Zellen Energie gewinnen können.
Der Ablauf lässt sich in zwei große Schritte einteilen. Dabei trifft zunächst die Vorbereitungsphase ein. Um überhaupt Energien zu gewinnen, muss Energie in Form von zwei Portionen ATP in die Reaktion investiert werden. Die Glucose wird dabei in zwei unterschiedliche Triospephosphate gespalten. Erst danach kann der ursprüngliche Zucker zu Pyruvat umgewandelt werden. Im Laufe dieser nachfolgenden Reaktion bilden sich vier Portionen von ATP und zwei von NADH. Beides liefert der Zelle Energie. Das nun vorhandene Pyruvat kann im Stoffwechsel weiterverarbeitet werden und ist auch abhängig von der Anwesenheit von Sauerstoff. Die weiteren Prozess gehören jedoch nicht mehr zum Ablauf der Glykolyse, da diese rein die Gewinnung von Energie beschreibt.

Funktion und Aufgabe der Glykolyse

Alle Zellen, so auch die Zellen des menschlichen Körpers, benötigen Energie. Die Bereitstellung dieser Energie ist durch die Glykolyse als einer der bewährtesten Stoffwechselvorgänge möglich. Neben diesem Prozess existieren quasi keine Vorgänge, die in ähnlicher Effizienz, Größe und Vielfalt innerhalb der Lebewesen ablaufen.
Glucose dient hierbei nicht nur ein einfacher Hinsicht als Lieferant von Energie. So wird beim Abbau des Stoffes Energie in Form von ATP frei und das Pyruvat gebildet, welches in weiteren Stoffwechselreaktionen als Energieträger gilt.
Die folgenden Reaktionen sind von der Anwesenheit von Sauerstoff abhängig. Ohne Sauerstoff wird Pyruvat an verschiendensten Stellen als Ausgangssubstanz zur Synthese unterschiedlicher Stoffe verwendet.
Ist allerdings Sauerstoff vorhanden, wird es im Citratzyklus und in der Atmungskette verwertet. Dabei wird die bekannte Reaktionsgleichung umgesetzt, denn es entstehen als Hauptprodukte Kohlenstoffdioxid sowie Wasser. Durch die frei werdende Energie wird darüber hinaus ATP gebildet.

Reaktionsgleichung der Glykolyse mit Atmungskette

Chemisch betrachtet sind als Ausgangsstoffe Glucose und Sauerstoff vorhanden, zumindest, wenn die Reaktion unter aeroben Bedingungen abläuft. Als Produkt entstehen Kohlendioxid und Wasser. Somit lautet die reine Stoffgleichung ohne den körperlichen Gewinn an Energie mit einem Ausgleich der Stöchiometrie:
C6H12O6 + 6 O2 -> 6 co2 + 6 H20
In Worten lautet die Gleichung:
Glucose + Sauerstoff -> Kohlenstoffoxid + Wasser
Es handelt sich um eine Oxidation der Glucose. Auffällig ist außerdem, dass es sich um eine Umkehrung der Photosynthese handelt, die als Umkehrreaktion abläuft.

Besondere Zellen mit Energieversorgung durch Glykolyse

Aufgrund der Vielseitigkeit dieses Prozesses tritt er in nahezu allen Körperzellen auf. Dennoch haben sich in einigen Zellen bestimmte Besonderheiten entwickelt.

  • Skelettmuskulatur
    Die Glykolyse läuft hier normalerweise wie in jeder anderen Zelle auch unter aeroben Bedingungen ab. Allerdings kann aus verschiedenen Gründen wie körperliche Belastung kein Sauerstoff vorhanden sein, sodass sie ohne diesen unter Bildung von Laktat abläuft. Im Sport kann die Laktatkonzentration Aufschluss über die Belastungsfähigkeit der Muskulatur geben, da durch eine große Anstrengung dieses freigesetzt wird.
  • Rote Blutkörperchen
    Rote Blutkörperchen besitzen keine Mitochondrien. Dieser Teil der Zelle ist jedoch zwingend notwendig, um die Weiterverwertung von Pyruvat mit Sauerstoff sicherzustellen. Daher entsteht hier 2,3-Bisphosphoglycerat, was zur Regulation und Stabilisierung des Hämoglobins notwendig ist.
  • Tumore
    Da die Glykolyse eine Möglichkeit darstellt, schnell, effizient und unproblematisch größere Mengen an Energie zu gewinnen, ist sie auch für Tumorzellen, die darauf ausgelegt sind, sich schnell zu vermehren, die Form der Energiegewinnung schlechthin. Dementsprechend hoch ist hier die Glykolyserate.

Krankheiten und Beschwerden im Zusammenhang mit der Glykolyse

Aufgrund der enormen Wichtigkeit der Glykolyse im menschlichen Stoffwechsel sind gravierende Fehler in diesem Vorgang selten. Selbst, wenn sie auf genetischer Ebene vorhanden wären, dann würden sie bereits während der Entwicklung des Menschen in den ersten Wochen und Monaten für eine Fehlgeburt sorgen. Insofern existieren nur sehr wenige Krankheiten und Beschwerden, die direkt auf Fehler in der Glykolyse zurückzuführen sind. Dennoch existiert eine Vielzahl von Krankheiten, die im Zusammenhang mit diesem Stoffwechselvorgang stehen.

  • Morbus Tarui
    Dabei handelt es sich um eine autosomal-rezessive vererbte Krankheit, die mit einem Enzymeffekt einher geht. Durch die Abwesenheit der Phosphofructokinase ist ein Teilschritt der Glykolyse nicht nachzuvollziehen. Dies führt zu Muskelschwäche und –Schmerzen je nach Abhängigkeit von körperlicher Belastung sowie einer Zerstörung von roten Blutkörperchen. Daraus folgt eine Anämie. Bereits im Kindesalter ist die Erkrankung feststellbar. Als Therapie kommt ein Verzicht auf körperliche Belastung infrage. Auf molekulargenetischer Ebene ist ein Eingriff bisher nicht möglich.
  • Von-Gierke-Krankheit
    Diese Krankheit wird genauso autosomal-rezessiv vererbt und ist auf einen Enzymdefekt zurückzuführen. Hierbei ist Glucose-6-Phosphatase defekt und somit ist die Freisetzung von Glucose aus der Leber gestört, weswegen Glucose im Übermaß synthetisiert wird. Als Folge ist der Blutzuckerspiegel zu niedrig und eine Azidose mit einer vergrößerten Leber liegt vor. Dies führt zu einer Wachstumsstörung und Organschwächen. Therapiert werden kann die Krankheit mit einer bestimmten Ernährungsweise sowie der Gabe von Dextrinlösung oder Stärke über Nacht.
  • Morbus McArdle
    Der autosomal-rezessiv vererbten Erkrankung liegt der Defekt des Enzyms Glykogenphosphorylase, was zu einer Anhäufung von Glykogen und einer Unterversorgung der Muskulatur. Das Auftreten der Krankheit liegt meist im jungen Erwachsenenalter nach körperlichen Aktivitäten in Verbindung mit Muskelschmerzen. Eine entsprechende Therapie ist mit einer Ernährungsumstellung zu Zeiten von sportlichen Aktivitäten verbunden. Die Muskelschwäche kann mit einer Physiotherapie behandelt werden.
  • Morbus Pompe
    Diese Erkrankung ist auch als Saure-Maltase-Mangel bekannt und gehört zu den seltenen Krankheiten, insbesondere in Bezug auf die Glykolyse. Als autosomal-rezessive vererbte Krankheit kann sie in allen Lebensstadien auftreten. Sie ist gekennzeichnet durch eine Ablagerung von Glykogen in den Lysosomen und Muskelzellen, was im Endeffekt zu einer Zerstörung der Muskelzellen führt. Die Krankheit endet tödlich, eine Möglichkeit der Heilung existiert bisher nicht. In den ersten Stadien kann Krankengymnastik und eine Ernährungsumstellung helfen, was bis zu künstlicher Ernährung und Beatmung in den Endstadien reicht.
  • Morbus Andersen
    Dabei handelt es sich um eine autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung, die sich innerhalb der ersten Monate des Lebens herausbildet. Auch hier ist ein Enzymdefekt, nämlich der des Enzyms Amylo-1,4-1,6-Transglukosidase, kennzeichnend, was durch Ablagerungen von fehlerhaftem Glykogen zu einer schnell fortschreitenden Leberzirrhose führt. Als Therapie steht bisher nur eine Eindämmung der Symptome zur Verfügung. Eine Lebertransplantation ist medizinisch umstritten, da das fehlerhafte Glykogen auch in weiteren Organen abgelagert werden kann.
  • Morbus Hers
    Die durch ihren milderen Verlauf gekennzeichnete, autosomal-rezessiv vererbte Stoffwechselerkrankung hat ihre Ursache in einem Enzymdefekt. Dabei kann die Glycogenphosphorylase nicht ihrer Funktion nachgehen. Die Krankheit bildet sich im Kindesalter heraus und ist gekennzeichnet durch eine Vergrößerung der Leber, Wachstumsstörungen sowie Hypotonien. Eine symptomatische und präventive Therapie beispielsweise in Form einer bestimmten Ernährungsweise ist möglich.
  • Diabetes
    Indirekt gehört zu den Krankheiten des Zuckerstoffwechsels und der Glykolyse Diabetes. Glucokinase gehört zu den Enzymen, die in diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen und durch Insulin beeinflusst werden. Bei Diabetes wiederum ist die Produktion an Insulin stark eingeschränkt.
  • Sonstige
    Darüber hinaus existieren weitere Krankheiten, die direkt oder indirekt mit der Glykolyse zusammenhängen. Viele Erkrankungen dieses Stoffwechselprozesses Laufen nach einem ähnlichen Schema ab, so auch die Cori-Krankheit. Diese autosomal-rezessiv vererbte Krankheit hängt mit einem Enzymdefekt zusammen, sodass der Körper kein Glykogen mehr abbauen kann. Mögliche Folgen bestehen in Hypoglykämie, einem gestörten Wachstum, Muskelproblemen und einer vergrößerten Leber, was sich jedoch im Erwachsenenalter bessert und durch eine bestimmte Ernährungsform eingedämmt werden kann.
    Festzustellen ist in jedem Fall, dass Krankheiten um die Glykolyse herum in der Regel mit einem Enzymdefekt einhergehen und autosomal-rezessiv vererbt werden. Dabei handelt es sich oftmals um Glykogenspeicherkrankheiten.
    Bestimmte Formen der Fructoseintoleranz lassen sich auf Probleme innerhalb der Glykolyse zurückführen.

Fragen und Antworten zur Glykolyse

Kann eine Glykogenspeicherkrankheit schon im Mutterleib festgestellt werden?
Die jeweiligen, vererbbaren Erkrankungen sind in der Regel im menschlichen Genom erkennbar. Allerdings wird eine Analyse des gesamten, embryonalen Genoms selten angeordnet, insbesondere nicht, wenn der Verdacht auf solche vergleichsweise harmlosen Erkrankungen wie eine Krankheit im Zusammenhang mit der Glykolyse bestehen sollte. Eine solche Untersuchung erfordert einen hohen Einsatz an medizinischem Fachwissen und ist mit erheblichen Kosten verbunden. Theoretisch ist es also möglich, in der Praxis steht der Aufwand allerdings unverhältnismäßig hoch zum Nutzen.

Wie sieht eine Diät im Falle einer Glykogenspeicherkrankheit aus?
Prinzipiell kommt es dabei immer auf die genaue Erkrankung und den zugrunde liegenden Enzymdefekt an. Der Prozess der Glykolyse ist biochemisch komplex, genauso wie die verschiedenen Störungen an den jeweiligen Stellen und Enzymen. In aller Regel wird jedoch darauf hingearbeitet, den Anteil an Kohlenhydraten und Zuckern möglichst gering zu halten, um den Körper nicht im Übermaß zu belasten. In manchen Formen der Ernährungsumstellungen kann es sinnvoll sein, auch auf Proteine zu verzichten. Dies hängt jedoch von der Krankheit ab.
Eine Diät kann darüber hinaus auch nur bis zum Erwachsenenalter sinnvoll sein. Manche Erkrankungen im Zusammenhang mit der Glykolyse wirken sich besonders stark auf das Wachstum aus, wovon die Phasen der Kindheit und Jugend betroffen sind.

Kann eine Problem mit Zucker im Stoffwechsel oder eine Störung im Prozess der Glykolyse mit Zuckerersatzstoffen behandelt werden?
Eine solche Behandlung in Form einer Ernährungsumstellung ist grundsätzlich nicht auszuschließen. Die meisten Zuckerersatzstoffe wie Aspartam oder Xylit basieren auf dem Prinzip, dass sie für den Körper nicht zu verdauen sind. So herrscht zwar eine starke SüßKraft dieser Stoffe vor, allerdings kann der menschliche Stoffwechsel schlicht nichts damit anfangen. Dementsprechend können sie auch nicht Teil der möglicherweise fehlerhaften Glykolyse werden. Wichtig ist im Falle einer Krankheit im Zusammenhang mit der Glykolyse jedoch, die eigene Erkrankung ärztlich abzuklären und eine individuelle Therapie mit potentieller Diät einzustellen.

Unser Fazit zur Glykolyse

Dieser wichtige Prozess im menschlichen Stoffwechsel ist essentiell, um die Energieversorgung sicherzustellen. Dementsprechend sind selbst kleine Fehler in diesem Ablauf bereits problematisch. Die meisten Störungen in diesem Vorgang sind jedoch erblich bedingt und können daher bereits im Kinder- und Säuglingsalter nachgewiesen werden. Somit ist eine frühe Behandlung möglich. Nichtsdestotrotz sollten auch Menschen, die nicht erblich betroffen sind, eine möglichst gesunde Lebensweise anzustreben. Das Risiko für Erkrankungen wie Diabetes ist dadurch in jedem Fall zu senken.

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