Zellen erzeugen durch den Abbau von Makromolekülen Energie. Die Zellatmung ist der biochemische Prozess, in dem die Energie der Nahrung (aus den chemischen Bindungen der Makromoleküle) in chemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) umgesetzt wird. Der erste Schritt dieses streng geregelten und komplexen Prozesses ist die Glykolyse. Das Wort Glykolyse stammt aus dem Lateinischen Glyco (Zucker) und lysis (Abbau). Die Glykolyse erfüllt zwei wesentliche intrazelluläre Funktionen: die Erzeugung von ATP und die Herstellung von Zwischenprodukten, welche in andere Stoffwechselwege eingespeist werden. Der glykolytische Stoffwechselweg führt zur Umwandlung eines Hexose Molekül (sechs Kohlenhydrate, wie Glukose) in zwei Triosemoleküle (drei Kohlenhydrate) wie Pyruvat und zur Nettoproduktion von zwei ATP Molekülen (vier produziert, zwei verbraucht) und zwei Molekülen Nicotinamidadenindinukleotid (NADH).
Wussten Sie, dass die Glykolyse der erste gefundene biochemische Stoffwechselweg war? Mitte der 1800er Jahre stellte Louis Pasteur fest, dass Mikroorganismen den Abbau von Glukose in Abwesenheit von Sauerstoff (Fermentation) bewirken. Eduard Buchner fand 1897 heraus, dass in zellfreien Hefeextrakten noch immer Gärungsreaktionen stattfanden. Das gelang durch das Aufbrechen der Zelle und das Sammelns des Zytoplasmas, in dem die löslichen Moleküle und Organellen enthälen sind. Kurz darauf in 1905 entdeckten Arthur Harden und William Young, dass die Geschwindigkeit der Gärung ohne die Zugabe von anorganischem Phosphat (Pi) abnimmt und dass die Gärung eine hitzeempfindliche Komponente (später wurde gezeigt, dass es bestimmte Enzyme sind) und eine niedermolekulare, hitzestabile Fraktion (anorganische Ionen, ATP, ADP und Coenzyme wie NAD) benötigt. Im Jahr 1940 wurde der vollständige Reaktionsweg der Glykolyse durch Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, und vielen weiteren Wissenschaftler aufgedeckt. Daher ist die Glykolyse auch heute noch als EMP-Weg bekannt.
Glukose kann auf zwei Arten in Zellen gelangen. Zum einen kann sie durch erleichterte Diffusion mit Hilfe einer Gruppe von Integralen Membranproteinen, die als GLUT (Glukose-Transporter) bezeichnet werden, in die Zelle gelangen. Mitglieder der GLUT-Proteinfamilie sind in bestimmten Geweben im gesamten menschlichen Körper vorhanden. Alternativ bewegt der sekundäre aktive Transport die Glukose gegen ihren Konzentrationsgradienten durch einen Transmembran-Symporter-Proteintransporter. Der Symporter nutzt die elektrochemische Energie, die durch das Pumpen eines Ions gewonnen wird. Beispiele sind die Natrium/Glukose-Cotransporter im Dünndarm, Herz, Gehirn und in den Nieren.
Unter sowohl aeroben (O2 reichen) als auch anaeroben (O2 mangelhaften) Bedingungen kann die Glykolyse beginnen, sobald Glukose in das Zytosol einer Zelle gelangt. Es gibt zwei Hauptphasen der Glykolyse. Die erste Phase ist energieaufwendig und gilt als vorbereitender Schritt. Dabei wird Glukose in der Zelle festgehalten und das Sechs-Kohlenstoff-Gerüst so umstrukturiert, dass es effizient gespalten werden kann. In der zweiten Phase wird dann Energie freigesetzt und Pyruvat erzeugt.
Abhängig vom Sauerstoffgehalt und dem Vorhandensein von Mitochondrien kann Pyruvat eines von zwei möglichen Schicksalen ereilen. Unter aeroben Bedingungen tritt das Pyruvat bei Vorhandensein von Mitochondrien in die Mitochondrien ein und durchläuft den Citratzyklus und die Elektronentransportkette (ETK). So wird es zu CO2, H2O und noch mehr ATP oxidiert. Im Gegensatz dazu wird Pyruvat unter anaeroben Bedingungen (beispielsweise bei arbeitenden Muskeln) oder bei fehlenden Mitochondrien (also bei Prokaryoten) einer Milchsäuregärung unterzogen. Dabei wird Pyruvat zu Laktat reduziert. Interessanterweise können Hefe und einige Bakterien unter anaeroben Bedingungen Pyruvat durch einen Prozess, der als Alkoholgärung bekannt ist, in Ethanol umwandeln.
Die genaue Kontrolle und Regulierung enzymvermittelter Stoffwechselwege, wie z.B. der Glykolyse, ist für das ordnungsgemäße Funktionieren eines Organismus von entscheidender Bedeutung. Die Kontrolle wird durch die Begrenzung des Substrats oder die enzymatische Regulierung ausgeübt. Substratlimitierung tritt auf, wenn die Konzentration von Substrat und Produkten in der Zelle nahezu ausgeglichen ist. Folglich bestimmt die Verfügbarkeit des Substrats die Geschwindigkeit der Reaktion. Bei der enzymgebundenen Regulation sind die Konzentrationen von Substrat und Produkten weit vom Gleichgewicht entfernt. Die Aktivität des Enzyms bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit, die den Fluss des Gesamtpfades steuert. Bei der Glykolyse gibt es drei regulatorischen Enzyme: Hexokinase, Phosphofruktokinase und Pyruvatkinase.
