Das Gehirn, obwohl es nur etwa 2 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht etwa 20 % der gesamten Energie des Körpers. Dieser hohe Energiebedarf wird hauptsächlich durch die Aktivität von Nervenzellen gedeckt, die ständig elektrische Impulse übertragen. Die Glykolyse spielt eine zentrale Rolle bei der Deckung dieses Energiebedarfs.
Energielieferanten und ATP-Resynthese
Die Hauptenergielieferanten für den Körper sind die Makronährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Auch Alkohol liefert Energie. Bei der Energiegewinnung werden diese Makronährstoffe schrittweise im Körper oxidiert. Ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, während der Rest in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert wird. ATP ist die einzige Verbindung, die der Organismus direkt zur Energiegewinnung nutzen kann. Die Energiefreisetzung erfolgt durch die Spaltung von ATP in Adenosindiphosphat (ADP) und freies Phosphat (P). Da der intrazelluläre ATP-Vorrat begrenzt ist, muss der Körper ATP ständig resynthetisieren.
Die ATP-Resynthese kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, darunter die aerobe Glykolyse (Oxidation von Glukose), die Betaoxidation (Oxidation von freien Fettsäuren) und die Oxidation von Aminosäuren. Bei körperlicher Aktivität wird der erhöhte Energiebedarf der Skelettmuskulatur kurzfristig durch die anaerobe Energiegewinnung und im Blut befindliche Glukose gedeckt. Bei länger andauernder Belastung werden Glykogen (Abbau gespeicherter Kohlenhydrate) in Glukose und Glukose-1-Phosphat abgebaut und Fettsäuren in Glycerin und freie Fettsäuren (FFS) abgebaut (Lipolyse/Fettabbau).
Glykolyse: Ein zentraler Stoffwechselweg
Die Glykolyse ist ein abbauender, energieliefernder Stoffwechselweg, der in fast allen Organismen stattfindet. Im Zytosol einer jeder Zelle wird aus einem Molekül Glukose zwei Moleküle Pyruvat gebildet. Die Glykolyse kann sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen ablaufen. Sie stellt den ersten Teil des Glukoseabbaus dar und spielt eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel von Eukaryoten und Prokaryoten. Die Funktion der Glykolyse besteht darin, Energie zu gewinnen, die der Körper für verschiedene Prozesse benötigt.
Ablauf der Glykolyse
Die Glykolyse lässt sich in zwei Phasen unterteilen:
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- Vorbereitungsphase (Energieinvestitionsphase): Glukose wird in zwei C3-Moleküle, Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP), umgewandelt. In dieser Phase werden zunächst zwei ATP-Moleküle investiert.
- Glukose wird zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert, wodurch verhindert wird, dass das Glukosemolekül die Zelle verlässt.
- Fructose-6-phosphat wird zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert.
- Dihydroxyacetonphosphat wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat umgelagert.
- Ertragsphase (Energiegewinnungsphase): Zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat werden in fünf Schritten zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut.
- GAP wird oxidiert und phosphoryliert, wobei 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht. Die abgegebenen Elektronen werden auf NAD+ übertragen.
- Eine Phosphatgruppe wird von 1,3-Bisphosphoglycerat abgespalten, wobei 3-Phosphoglycerat entsteht. Dieser Prozess wird als Substratkettenphosphorylierung bezeichnet und setzt Energie frei, die in Form einer energiereichen Bindung im ATP-Molekül gespeichert wird.
- Eine Phosphatgruppe wird von der C-3- an die C-2-Stelle übertragen, wobei 2-Phosphoglycerat entsteht.
- Wasser wird von 2-Phosphoglycerat abgespalten, wobei Phosphoenolpyruvat (PEP) entsteht.
- Die Phosphatgruppe von PEP wird auf ADP übertragen, wobei Pyruvat und ATP entstehen.
Bedeutung der Glykolyse für den Energiestoffwechsel
Die Glykolyse spielt eine zentrale Rolle im katabolen Energiestoffwechsel. Sie wird von allen Eukaryoten praktiziert und ist auch bei Bakterien und Archaeen verbreitet. Für manche Zellen ist die Glykolyse der einzige Weg, um Energie zu beziehen. Das ist beispielsweise bei Zellen im Nierenmark oder Spermien der Fall. Ebenso generieren bestimmte Zellen im Gehirn ihren größten Teil der Energie aus der Glykolyse.
Das Endprodukt der Glykolyse, Pyruvat, hat ebenfalls eine zentrale Bedeutung im Stoffwechsel. Unter Sauerstoffbedingungen kann Glukose vollständig zu Kohlenstoffdioxid abgebaut werden (Zellatmung). Ohne Sauerstoff wird Pyruvat zu Laktat oder Ethanol reduziert (Gärung).
Pro Molekül Glukose bildet die Glykolyse zwei Moleküle ATP. Zunächst werden in der Vorbereitungsphase zwei Moleküle ATP investiert, um dann in der Ertragsphase vier ATP-Moleküle zu gewinnen. Die Nettoenergieausbeute beträgt also zwei ATP-Moleküle.
Regulation der Glykolyse
Die Glykolyse wird streng reguliert, um sicherzustellen, dass die Energieproduktion den Bedürfnissen der Zelle entspricht. Die Kontrolle der Glykolyse erfolgt an den irreversiblen Reaktionen, die in Schritt 1, Schritt 3 und Schritt 10 stattfinden.
Die Rolle der Glykolyse im Gehirn
Das Gehirn benötigt eine konstante und hohe Energiezufuhr, um seine komplexen Funktionen aufrechtzuerhalten. Obwohl die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien den größten Teil des ATP liefert, spielt die Glykolyse eine wichtige Rolle, insbesondere unter Bedingungen erhöhten Energiebedarfs oder Sauerstoffmangels.
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Gliazellen und Energieversorgung der Nervenzellen
Neben den Nervenzellen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung des Gehirns. Oligodendrozyten, eine Gruppe von Gliazellen, sind für die Bildung der Myelinscheide zuständig, die die Nervenfasern umgibt und die Leitungsgeschwindigkeit der Axone erhöht.
Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Oligodendrozyten auch Metaboliten wie Laktat an die Nervenzellen liefern können, die als "Brennstoff" dienen. Studien haben gezeigt, dass Oligodendrozyten die mitochondriale Atmung herunterfahren und vermehrt auf Glykolyse setzen. Dies hat den Vorteil, dass die beim Abbau von Glukose anfallenden Stoffwechselprodukte als Bausteine für die Synthese des Myelins genutzt werden können.
Die Nervenbahnen können die von Oligodendrozyten bereitgestellte Milchsäure verstoffwechseln und als Brennstoff nutzen. Dies deutet darauf hin, dass Oligodendrozyten den Axonen unmittelbar Glukoseprodukte zur Verfügung stellen können, die mit Hilfe axonaler Mitochondrien in Zeiten hoher Aktivität der Nervenzellen als Brennstoff genutzt werden.
Aerobe Glykolyse im Gehirn
Die aerobe Glykolyse, bei der Glukose auch in gut mit Sauerstoff versorgten Zellen verstärkt in kleinere Bruchstücke zerlegt wird, spielt im Gehirn eine besondere Rolle. Obwohl unter rein energetischen Gesichtspunkten weniger ATP entsteht als bei der oxidativen Phosphorylierung, stellt die aerobe Glykolyse wichtige Grundbausteine für verschiedene Metabolite zur Verfügung.
Studien haben gezeigt, dass bestimmte Hirnregionen, insbesondere solche, die zum "Default Mode Network" (DMN) gehören, eine hohe aerobe Glykolyseleistung aufweisen. Das DMN ist ein Verbund aus Hirnregionen, die in Ruhe aktiv sind und grundlegende Ruhefunktionen unseres Gehirns ausführen. Die hohe aerobe Glykolyseleistung in diesen Regionen könnte darauf hindeuten, dass sie sehr kurzfristig Energie in Form von ATP benötigen, um synaptische Umbauprozesse zu unterstützen.
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Glykolyse und neurodegenerative Erkrankungen
Auffälligkeiten im Glukosestoffwechsel, insbesondere eine erhöhte aerobe Glykolyseleistung, wurden auch mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht. Studien haben gezeigt, dass die Hirnregionen, die bei gesunden Menschen eine hohe aerobe Glykolyseleistung aufweisen, auch besonders von den Amyloidablagerungen betroffen sind, die bei der Alzheimerdemenz typisch sind.
Es wird vermutet, dass eine gestörte Glykolyse zu einer Glukoseunterversorgung der Zellen führen kann, was die Entfernung von Neurotransmittern wie Glutamat beeinträchtigt und neurotoxische Wirkungen hat.
Weitere Aspekte der Energieversorgung des Körpers
Glykogenspeicherung
Glykogen dient der kurz- bis mittelfristigen Speicherung und Bereitstellung des Energieträgers Glukose im menschlichen und tierischen Organismus. In Leber- und Muskelzellen wird bei einem Überangebot von Kohlenhydraten Glykogen aufgebaut. Bei vermehrtem Energiebedarf des Körpers wird das in der Leber gespeicherte Glykogen wieder zu Glukose aufgespalten und dem Gesamtorganismus zur Verfügung gestellt. Die Muskelzellen nutzen Glykogen ausschließlich zur Deckung ihres eigenen Energiebedarfs.
Der Blutzuckerspiegel wird u.a. mittels Glykogenauf- und abbau durch verschiedene Hormone reguliert: Adrenalin und Glucagon regen den Glykogenabbau an, Insulin fördert den Glykogenaufbau.
Einfluss von Stress auf den Energiebedarf
Anhaltender Stress und Hektik sind für den Körper eine hohe Belastung und räumen seine Energiedepots leer. Stress und Anspannung führen zu einem erhöhten Bedarf an Mikronährstoffen.
Mikronährstoffe und Energiestoffwechsel
Verschiedene Mikronährstoffe spielen eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel. Vitamine B1, B2, B6, B12 sowie Magnesium unterstützen den Energiestoffwechsel. Vitamin B2 (Riboflavin) greift an zentraler Stelle in die Energiegewinnung ein und steigert den Energiestoffwechsel der Zell-Kraftwerke. Coenzym Q10 ist ein lebenswichtiger Baustein in den Mitochondrien jeder Zelle und Magnesium ist ein lebensnotweniger Mineralstoff in zahlreichen biochemischen Prozessen.