Die Glykolyse (; von und ) ist bei Lebewesen der schrittweise Abbau von Monosacchariden (Einfachzuckern) wie der D-Glucose (Traubenzucker), von der sich auch die Bezeichnung Glykolyse ableitet. Sie ist der zentrale Prozess beim Abbau aller Kohlenhydrate in allen Eukaryoten, dazu gehören Tiere, Pflanzen und Pilze. Bei Bakterien und Archaeen ist Glykolyse ebenfalls verbreitet. Manche Arten nutzen aber auch andere Stoffwechselwege, um Glucose abzubauen, beispielsweise den Entner-Doudoroff-Weg (ED-Weg). Die Glykolyse ist ein zentraler Vorgang im Energiestoffwechsel und einer der wenigen Stoffwechselwege, den fast alle Organismen gemeinsam haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist.
Der Abbau erfolgt in zehn Einzelschritten. Dabei entstehen aus einem Glucosemolekül zwei Moleküle Pyruvat. Außerdem werden zwei für das Übertragen von Energie geeignete Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) gebildet und zwei Moleküle NAD+ werden zu NADH reduziert.
Die Glykolyse wird nach ihren Entdeckern Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jakub Karol Parnas auch Embden-Meyerhof-Parnas-Weg oder EMP-Weg genannt. Nicht mehr gebräuchlich ist die Bezeichnung FDP-Weg, die auf das Zwischenprodukt D-Fructose-1,6-bisphosphat (veraltet: Fructosediphosphat) zurückgeht.
Entdeckungsgeschichte miniatur|hochkant|Eduard Buchner erhielt 1907 den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung der zellfreien Vergärung.
Untersuchungen über den Abbau von Zucker gehen weit ins 19. Jahrhundert zurück und begannen ursprünglich mit der Erforschung der alkoholischen Gärung beziehungsweise später der Milchsäuregärung. Bei diesen Gärungen sind die Reaktionsschritte bis zur Bildung von Pyruvat identisch. 1837 wurde durch die Forscher Charles Cagniard-Latour,C. Cagniard-Latour: Mémoire sur la fermentation vineuse. In: Annales de chimie et de physique. Bd. 68, 1837, S. 206–222. Theodor SchwannTheodor Schwann: Vorläufige Mitteilung, betreffend Versuche über die Weingährung und Fäulnis. In: Annalen der Physik und Chemie. Bd. 41, 1837, S. 184–193. und Friedrich Traugott KützingF. T. Kützing: Microscopische Untersuchungen über die Hefe und Essigmutter, nebst mehreren andern dazu gehörigen vegetabilischen Gebilden. In: Journ. prakt. Chem. 11 (1837), S. 385–409. unabhängig voneinander nachgewiesen, dass der heutzutage als alkoholische Gärung bekannte Abbau von Glucose zu Ethanol durch Lebewesen, nämlich Hefen, verursacht wird.E. Racker: History of the Pasteur effect and its pathobiology. In: Mol Cell Biochem. 5(1–2) 1974, S. 17–23, PMID 4279327, . Dass für den anaeroben Abbau von Zuckern die Stoffwechselprozesse lebender Hefezellen verantwortlich sind, war zum damaligen Zeitpunkt noch sehr umstritten. Vor allem die prominenten Chemiker Jöns Jakob Berzelius, Friedrich Wöhler und Justus von Liebig zählten zu den heftigsten Gegnern dieser Ansicht. Liebig postulierte beispielsweise, dass verwesendes Material „Schwingungen“ auf den zu vergärenden Zucker übertrage, welcher dadurch zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid zerfalle.J. Liebig: Ueber die Erscheinungen der Gährung, Fäulniß und Verwesung und ihre Ursachen. In: Annalen der Pharmacie. (Heidelberg) 30 (1839), S. 250–287.
Dem Abbau von Zuckern in lebenden Hefezellen widmete sich ab 1857 auch der französische Forscher Louis Pasteur. 1860 veröffentlichte er eine Bestätigung der Ergebnisse von Cagniard-Latour, Kützing und Schwann und stellte sich damit gegen Liebigs Hypothese.L. Pasteur: Memoire sur la fermentaçion alcoolique. In: Annales de chimie et de physique. 58 (1860), S. 323–426. Außerdem beobachtete er, dass der Verbrauch an Glucose unter anaeroben Bedingungen höher ist als wenn den Hefen Sauerstoff zur Verfügung steht. Diese Beobachtung wird heutzutage als der „Pasteur-Effekt“ bezeichnet.
Zu jener Zeit herrschte die Lehrmeinung vor, dass nur eine den Lebewesen innewohnende „Lebenskraft“ (vis vitalis) die Umwandlung von Glucose zu Ethanol bewerkstelligen könne. 1858 schlug dagegen Moritz Traube vor, dass für den Abbau von Zuckern in Hefezellen allein chemische Prozesse, weniger die „Lebendigkeit“ als solche verantwortlich seien.M. Traube In: Ann. Phys. Chem. (Poggendorff) 103 (1858), S. 331–344. 1897 schließlich entdeckte Eduard Buchner, dass alkoholische Vergärung auch in einem zellfreien Hefeextrakt möglich ist.E. Buchner: Alkoholische Gärung ohne Hefezellen (Vorläufige Mitteilung). In: Ber. Dt. Chem. Ges. 30 (1897), S. 117–124. (online) Damit zeigte er, dass der Stoffwechselweg auch dann stattfinden kann, wenn die Zellen nicht mehr intakt sind. Man bezeichnet dies als in vitro. Das katalytisch wirksame Präparat bezeichnete er als „Zymase“, ohne zu wissen, dass mehrere Enzyme in den anaeroben Glucoseabbau involviert sind. Auch Marie von Mannasein zog im selben Jahr in einer Veröffentlichung ähnliche Schlüsse wie Buchner.Athel Cornish-Bowden: New beer in an old bottle: Eduard Buchner and the growth of biochemical knowledge. ISBN 84-370-3328-4, S. 60. Jedoch konnte ihre Arbeit andere nicht überzeugen, da ihre Beweisführung unzureichend war.
miniatur|hochkant|Arthur Harden leistete in Zusammenarbeit mit William John Young einen besonderen Beitrag in der Aufklärung der Glykolyse. Harden wurde zusammen mit von Euler-Chelpin 1929 der Nobelpreis für Chemie verliehen.
Die Aufklärung der einzelnen Schritte der Glykolyse gelang ab Anfang des 20. Jahrhunderts. So konnten Arthur Harden und William John Young (1878–1942) Entscheidendes zur Aufklärung des glykolytischen Stoffwechselweges beitragen und veröffentlichten ihre Ergebnisse in einer Serie von Publikationen ab 1905. Unter anderem fanden sie heraus, dass isolierte Hefeextrakte Glucose nur langsam zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abbauten, wenn in den Extrakten kein anorganisches Phosphat vorhanden war.A. Harden, W. J. Young: The Alcoholic Ferment of Yeast-Juice. In: Proc. R. Soc. Lond. B 77(519) 1906, S. 405–420, . Bei Zugabe von Phosphat jedoch konnte diese in vitro, also ohne lebende Zellen stattfindende Gärreaktion wieder schneller ablaufen.A. Harden, W. J. Young: The Alcoholic Ferment of Yeast-Juice. Part III.-The Function of Phosphates in the Fermentation of Glucose by Yeast-Juice. In: Proc. R. Soc. Lond. B 80(540) 1908, S. 405–420, . Außerdem gelang es ihnen, Fructose-1,6-bisphosphat zu isolieren und nachzuweisen, dass es ein Zwischenprodukt der Glykolyse ist. Zudem trennten sie zellfreien Hefeextrakt mittels Dialyse in zwei Fraktionen auf.Donald Voet, Judith G. Voet, Alfred Maelicke (Hrsg.), Werner Müller-Esterl (Hrsg.): Biochemie. Wiley-VCH 1992, ISBN 3-527-28242-4, S. 421f. Die Forscher bezeichneten die nicht dialysierbare Fraktion, das sind normalerweise größere Moleküle und Proteine, nach Buchner als „Zymase“. Sie war wärmeempfindlich. Die dialysierbare Fraktion besteht dagegen aus Ionen und kleinen Molekülen, die die Dialysemembran passieren können. Diese war wärmestabil und wurde „Cozymase“ genannt. Nur beide zusammen konnten eine Gärreaktion in vitro hervorrufen. Es stellte sich heraus, dass die Zymase ein Enzymgemisch war, während die Cozymase die für diese Enzyme nötigen Coenzyme enthielt.
1918 konnte Otto Meyerhof nachweisen, dass in der Milchsäuregärung in Muskeln die gleichen Coenzyme benötigt werden wie bei der alkoholischen Gärung.N. Kresge, R. D. Simoni, R. L. Hill: Otto Fritz Meyerhof and the elucidation of the glycolytic pathway. In: J Biol Chem. 280(4) 2005, S. e3, PMID 15665335, PDF (freier Volltextzugriff, engl.) Wegen der Kurzlebigkeit vieler Zwischenprodukte gestaltete sich die weitere Aufklärung des Stoffwechselweges als schwierig. Gustav Embden schlug 1932 eine erste biochemische Reaktionsfolge für die Glykolyse vor. Zwei Jahre später konnte Karl Lohmann im Labor Meyerhofs den Nachweis erbringen, dass der universelle Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) bei der Glykolyse erzeugt wird. Meyerhofs Forschergruppe hatte Anteil an der Entdeckung etwa eines Drittels der an der Glykolyse beteiligten Enzyme.
Schließlich waren Ende der 1930er-Jahre durch die Arbeiten von Otto Warburg und Hans von Euler-Chelpin die Reaktionsschritte in Hefe aufgeklärt; Embden, Meyerhof und Jakub Karol Parnas arbeiteten dagegen mit Muskelzellen. Außerdem hatten auch Carl und Gerty Cori, Carl Neuberg, Robert Robinson sowie der unter Warburg tätige Erwin Negelein wesentlichen Anteil an der Aufklärung der Glykolyse.
Alle Schritte und Enzyme der Glykolyse sind seit den 1940er-Jahren bekannt. Genauere Untersuchungen der beteiligten Enzyme und ihrer Regulation folgten anschließend.
Bedeutung für die Zelle
Die Glykolyse ist der wichtigste Abbauweg der Kohlenhydrate im Stoffwechsel. Größtenteils werden alle Hexosen und Triosen durch diesen einen Stoffwechselweg metabolisiert und für den weiteren Abbau vorbereitet. Damit nimmt die Glykolyse einen zentralen Platz im katabolen Stoffwechsel ein. Die an den Reaktionen beteiligten Enzyme kommen in fast allen Lebewesen vor, so dass die Glykolyse auch universell ist. Die Glykolyse hat daneben auch noch weitere wichtige Funktionen:
Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen 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.Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Biochemie. 3., vollst. überarb. u. erw. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-41813-9, S. 584ff. 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.Donald Voet, Judith G. Voet, Alfred Maelicke (Hrsg.), Werner Müller-Esterl (Hrsg.): Biochemie. Wiley-VCH, 1992, ISBN 3-527-28242-4, S. 444.
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.Hans W. Heldt, Birgit Piechulla: Pflanzenbiochemie. 4. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1961-3, S. 334.
Glucose als einziger Brennstoff miniatur|hochkant|Erythrozyten decken ihren Energiebedarf ausschließlich aus der Glykolyse.