Гликолиз схема процесса. Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа. Гликолиз в раковых клетках
Гликолиз или путь Эмбдена-Меергофа-Парнаса (от др.-греч γλυκός, glykos — сладкий и λύσης, lysis — расщепление) — последовательность из десяти реакций, которые приводят к превращению глюкозы, C 6 H 12 O 6, в пируват, C 3 H 3 O-3 с образованием АТФ (аденозинтрифосфат) и НАДН (восстановленный никотинамид). В аэробных организмов гликолиз идет перед циклом трикарбоновых кислот и цепью переноса электронов, которые вместе добывают большую часть энергии, которая содержится в глюкозе. При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2 и Н2О При недостаточном содержании кислорода, как это бывает в мышцах, которые активно сокращаются, пируват превращается в лактат. В некоторых анаэробных организмов, например, дрожжей, пируват превращается не в лактат, а в этанол. Образование этанола и лактата из глюкозы — это примеры брожения.
История исследования
Гликолиз первый из открытых и наиболее исследован метаболический путь. 1897 братья Ганс и Эдуард Бюхнер занимались изготовлением бесклеточной экстрактов дрожжей для терапевтического применения. Очевидно, они не могли использовать ядовитые для человека антисептики, как фенол, поэтому попытались распространен в кулинарии консервант — сахарозу. Выяснилось, что в дрожжевых экстрактах это вещество быстро зброджувалась к этиловому спирту. Так впервые установлено, что брожение может происходить вне живых клеток. В 1907 году Эдуарду Бюхнеру была присуждена Нобелевская премия по химии.
Со времени открытия внеклеточного брожения до 1940-х годов исследования реакций гликолиза было одной из основных задач биохимии. Описанием этого метаболического пути в клетках дрожжей занимались Отто Варбург, Ганс фон Эйлер-Хельпин и Артур Гарден (два последних получили Нобелевскую премию по химии 1929 года), в мышцах — Густав Эмбден и Отто Меергоф (Нобелевская премия по медицине и физиологии 1922). Также свой вклад в исследование гликолиза сделали Карл Нойберг, Яков Парнас, Герти и Карл Кори.
Важными «побочными» открытиями, сделанными благодаря изучению гликолиза, была разработка многих методов очистки ферментов, выяснения центральной роли АТФ и других фосфорильованих соединений в метаболизме, открытие коэнзимов, таких как НАД.
Распространение и значение
В эукариотических клетках реакции гликолиза происходят в цитозоле. В большинстве таких клеток именно этот среди других метаболических путей занимает первое место по количеству атомов углерода, которые превращаются в нем. Для таких тканей млекопитающих, как мозг (за исключением условий голодания), мозговой слой почек, сперматозоиды, а также эритроциты, в которых полностью отсутствуют митохонондрии, гликолиз является единственным источником метаболической энергии. Для мышц в условиях очень большой нагрузки гликолиз выгоден не только потому, что дает возможность получить энергию при недостатке кислорода, а еще и потому, что он происходит очень быстро и обеспечивает синтез АТФ в 10,5 раз быстрее, чем аэробная окисления органических веществ. Также от гликолиза главным образом зависят растительные ткани, специализированные на хранении крахмала (например клубни картофеля), и водные растения, такие как настурция лекарственная.
Другими путями окисления глюкозы является пентозофосфатный путь и путь Энтнера-Дудорова. Последний является заменой гликолиза в некоторых грамотрицательных и, очень редко, грамположительных бактерий и имеет много общих черт с ним ферментов.
Реакции гликолиза
Традиционно гликолиз разделяют на две стадии: подготовительную, предусматривающий вклад энергии (пять первых реакций), и стадию отдачи энергии (пять последних реакций). Иногда четвертую и пятую реакции выделяют в отдельную промежуточную стадию.
На первой стадии происходит фосфорилирования глюкозы в шестом положении, изомеризация полученного глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфата, и повторное фосфорилирования уже в первом положении, в результате чего образуется фруктозо-1,6-бисфосфат. Фосфатные группы на моносахариды переносятся с АТФ. Это необходимо для активации молекул — увеличение содержания в них свободной энергии. Далее фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз, которые могут свободно превращаться друг в друга.
На второй стадии (отдачи энергии) фосфотриозы (глицеральдегид-3-фосфат) окисляется и фосфорилируется неорганическим фосфатом. Полученный продукт в серии екзергоничних реакций сопряженных с синтезом четырех молекул АТФ превращается в пирувата. Таким образом, при гликолиза происходит три принципиальных преобразования:
- Расщепление глюкозы до двух молекул пирувата;
- Фосфорилирования АДФ до АТФ
- Восстановление НАД.
Первая стадия
Фосфорилирования глюкозы
Первая реакция гликолиза — фосфорилирования глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата, катализируется ферментом гексокиназой. Донором фосфатной группы является молекула АТФ. Реакция происходит только в присутствии ионов Mg 2+, потому что настоящим субстратом для гексокиназы является не АТФ 4-, а комплекс MgАТФ 2. Магний экранирует отрицательный заряд фосфатной группы, таким образом облегчая осуществление нуклеофильного атаки на последний атом фосфора гидроксильной группой глюкозы.
ΔG 0 = -16,7 кДж / моль
Вследствие фосфорилирования происходит не только активация молекулы глюкозы, но и ее «заключения» внутри клетки: плазматическая мембрана имеет белки-переносчики для глюкозы, но не для ее фосфорилированном формы. Поэтому большая заряженная молекула глюкозо-6-фосфата не может проникнуть через мембрану несмотря на то, что ее концентрация в цитоплазме больше, чем во внеклеточной жидкости.
Фермент гексокиназа присутствует почти у всех организмов, основным его субстратом является глюкоза. Однако он может катализировать фосфорилирования других гексоз D-фруктозы, D-маннозы и тому подобное. У человека есть четыре изоформы гексокиназы (от I до IV). Один из изоферментов — гексокиназа IV или глюкокиназа — отличается от других форм особенностями кинетики и регулирования его активности.
Изомеризация глюкозо-6-фосфата
Во второй реакции гликолиза происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфата под действием фермента глюкозофосфатизомеразы (гексозофосфатизомеразы). Сначала происходит открытие шестичленного пиранозного кольца глюкозо-6-фосфата, то есть переход этого вещества в линейную форму, после чего карбонильная группа из первого положения переносится во второй через промежуточную ендиольну форму. То есть альдозами превращается в кетоза. Образована линейная молекула фруктозо-6-фосфата замыкается в пятичленной фуранозных кольцо.
ΔG 0 = 1,7 кДж / моль
Через незначительное изменение свободной энергии реакция является обратимой. Изомеризация глюкозо-6-фосфата — это необходимое условие для дальнейшего прохождения гликолиза, поскольку следующая реакция — еще одно фосфорилирования, требует наличия гидроксильной группы в первом положении.
Фосфорилирования фруктозо-6-фосфата
После стадии изомеризации идет вторая реакция фосфорилирования, в которой фруктоза-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат за счет присоединения фосфатной группы АТФ. Реакцию катализирует фермент фосфофруктокиназы-1 (сокращенно ФФК-1, существует также фермент ФФК-2, катализирует образование фруктозо-2,6-бисфосфат в другом метаболическом пути).
ΔG 0 = -14,2 кДж / моль
В условиях цитоплазмы клетки эта реакция является необратимой. Она первой достоверно определяет расщепление веществ по гилколитичному пути, поскольку глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут вступать в другие метаболические преобразования, а фруктоза-1,6-бисфосфат используется только в гликолизе. Именно образование фруктозо-1,6-бисфосфат является лимитирующей стадией гликолиза.
У растений, некоторых бактерий и простейших также форма фосфофруктокиназы, что использует в качестве донора фосфатной группы пирофосфат, а не АТФ. ФФК-1 как аллостерический фермент подлежит сложным механизмам регулирования. К положительным модуляторов относятся продукты расщепления АТФ — АДФ и АМФ, рибулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), в некоторых организмов фруктозо-2,6-бисфосфат. Негативным модулятором является АТФ.
Расщепление фруктозо-1,6-бисфосфат на две фосфотриозы
Фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат под влиянием фруктозо-1,6-фосфатальдолазы (чаще просто альдолаза). Название фермента альдолазы происходит от обратной реакции альдольной конденсации. Механизм прохождения реакции изображен на схеме:
ΔG 0 = 23,8 кДж / моль
Хотя стандартная изменение свободной энергии при расщеплении фруктозо-1,6-бисфосфат является положительной и имеет большое абсолютное значение, в реальных условиях клетки из-за низкой концентрации фосфотриоз реакция легко проходит в обе стороны.
Описанный механизм реакции характерен только для альдолазы класса I, распространенной в клетках растений и животных. В клетках бактерий и грибов присутствует альдолаза класса II, которая катализирует реакцию другим путем.
Механизм реакции альдольно расщепления еще раз демонстрирует важность изомеризации во второй реакции гликолиза. Если бы такому преобразованию подлежала альдозами (глюкоза), то образовалась бы одна двокарбонова и одна чотирикарбонова соединение, каждая из которых должна метаболизируется собственным шялхом. Зато трикарбонови соединения образованы в результате расщепления кетозы (фруктозы) могут легко превращаться друг в друга.
Изомеризация фосфотриоз
В последующих реакциях гликолиза участвует только одна из фосфотриоз образованных из фруктозо-1,6-бисфосфат, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако другой продукт — дигидроксиацетонфосфат — быстро и обратно может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат (катализирует эту реакция триозофосфатизомеразы).
ΔG 0 = 7,5 кДж / моль
Механизм реакции похож на изомеризацию глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. Равновесие реакции смещено в сторону образования дигидроксиацетонфосфату (96%), однако из-за постоянного использования глицеральдегид-3-фосфата все время происходит обратное преобразование.
После преобразования двух «половинок» глюкозы в глицеральдегид-3-фосфат атомы углерода, происходящих от ее C-1, C-2 и C-3, становятся химически непременно от C-6, C-5 и C-4 соответственно. Эта реакция завершает подготовительную стадию гликолиза.
Вторая стадия
Окисления глицеральдегид-3-фосфата
Первой реакцией стадии отдачи энергии гликолиза является окисление глицеральдегид-3-фосфата с одновременным его фосфорилированием, что осуществляется ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Альдегид превращается не во свободную кислоту, а в смешанный ангидрид с фосфатной кислотой (1,3-бисфосфоглицерат). Соединения такого типа — ацилфосфаты — имеют очень большое негативное изменение свободной энергии гидролиза (ΔG 0 = -49,3 кДж / моль).
Реакцию превращения глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-бисфосфоглицерату можно рассматривать как два отдельных процесса: окисление альдегидной группы НАД + и присоединения фосфатной группы к образованной карбоновой кислоты. Первая реакция термодинамически выгодна (ΔG 0 = -50 кДж / моль), вторая наоборот невыгодна. Изменение свободной энергии для второй реакции почти такая же, только положительная. Если бы они происходили последовательно одна за другой, то вторая реакция требовала бы слишком большой энергии активации, чтобы протекать в условиях живой клетки с удовлетворительной скоростью. Но оба процессы сопряженными благодаря тому, что промежуточное соединение — 3-фосфоглицерат — ковалентно связана с остатком цистеина тиоестерним связью в активном центре фермента. Такой тип связи позволяет «законсервировать» часть энергии, выделяемой при окисления глицеральдегид-3-фосфата, и использовать ее для реакции с ортофосфорной кислотой.
ΔG 0 = 6,3 кДж / моль
Для прохождения этой стадии гликолиза необходим кофермент НАД +. Его концентрация в клетке (менее 10 -5 М) значительно меньше, чем количество глюкозы, метаболизируется за несколько минут. Поэтому в клетке постоянно происходит повторное окисление НАД +.
Перенос фосфатной группы 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ
В следующей реакции большой запас энергии ацилфосфату используется для синтеза АТФ. Фермент фосфоглицераткиназа (название от обратной реакции) катализирует перенос фосфатной группы с 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ, кроме АТФ продуктом реакции является 3-фосфоглицерат.
ΔG 0 = -18,6 кДж / моль
Такой тип синтеза АТФ, при котором используется растворимый соединение с высоким потенциалом переноса фосфатной группы, называется сусбстратним фосфорилированием, в противовес окислительного фосфорилирования, что имеет место при аэробной окисления во внутренней мембране митохондрий.
Шестая и седьмая реакции гликолиза сопряженные между собой и 1,3-бисфосфоглицерат является общим промежуточным продуктом. Первая из них сама по себе была бы ендергоничною, однако затраты энергии компенсируются второй — выражено екзергоничною. Суммарное уравнение этих двух процессов можно записать так:
Глицеральдегид-3-фосфат + АДФ + Ф н + НАД + → 3-фосфоглицерат + АТФ + НАДH (H +), ΔG 0 = -12,2 кДж / моль;
Следует заметить, что для одной молекулы глюкозы эта реакция происходит дважды, поскольку из одной молекулы глюкозы были образованы две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Итак, на этом этапе синтезируются две молекулы АТФ, покрывает энергетические затраты первой стадии гликолиза.
Изомеризация 3-фосфоглицерат
В восьмой реакции гликолиза фермент фосфоглицератмутаза в присутствии ионов магния катализирует перенос фосфатной группы 3-фосфоглицерат с третьего положения в другое, в результате чего образуется 2-фосфоглицерат. Реакция происходит в два этапа: на первом из них фосфатная группа, изначально присоединена к остатку гистидина в активном центре фермента, переносится на C-2 3-фосфоглицерат, в результате чего образуется 2,3-бисфосфоглицерат. После этого фосфатная группа в третьем положении синтезированной соединения переносится на гистидин. Таким образом регенерируются фосфорилированный фермент и производится 2-фосфоглицерат.
ΔG 0 = 4,4 кДж / моль
Исходное фосфорилирования фосфоглицератмутазы осуществляется реакцией с 2,3-бисфосфоглицерату, незначительной концентрации которого достаточно для активации фермента.
Дегидратация 2-фосфоглицерат
Следующая реакция — образование Энола с результате дегидратации (отщепление воды) 2-фосфоглицерат — ведет к образованию фосфоэнолпируват (сокращенно ФЭП) и катализируется ферментом енолазы.
ΔG 0 = 7,5 кДж / моль
Это вторая реакция образования вещества с высоким потенциалом переноса фосфатной группы в процессе гликолиза. Изменение свободной энергии при гидролизе фосфатного эфира обычного спирта значительно ниже по сравнению с таким изменением при гидролизе енолфосфату, в частности для 2-фосфоглицерат ΔG 0 = -17,6 кДж / моль, а для фосфоэнолпируват ΔG 0 = -61,9 кДж / моль.
Перенос фосфатной группы с ФЭП на АДФ
Последняя реакция гликолиза — перенос фосфатной группы с фосфоэнолпируват на АДФ — катализируется пируваткиназы в присутствии ионов K + и Mg 2+ или Mn 2+. Продуктом этой реакции является пируват, который сначала образуется в енольная форме, после чего быстро и неферментативно таутомеризуеться в кетонную форму.
Реакция имеет большое отрицательное изменение свободной энергии, главным образом благодаря екзергоничому процесса таутомеризации. Около половины энергии (30,5 кДж / моль), что выделяется при гидролизе ФЭП (61,9 кДж / моль), используется на субстратно фосфорилирования, остальные (31,5 кДж / моль) служит как движущая сила, толкающая реакцию в сторону образования пирувата и АТФ. Реакция является необратимой по клеточных условий.
Суммарный выход гликолиза
| Изменение свободной энергии в реакциях гликолиза в эритроцитах | ||
|---|---|---|
| Реакция | ΔG 0 (кДж / моль) | ΔG (кДж / моль) |
| Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ | -16,7 | -33,4 |
| Глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат | 1,7 | от 0 до 25 |
| Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-бисфосфат + АДФ | -14,2 | -22,2 |
| Фруктозо-1,6-бисфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат + дигидроксиацетонфосфат | 28,3 | от -6 до 0 |
| Дигидроксиацетонфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат | 7,5 | от 0 до 4 |
| Глицеральдегид-3-фосфат + Ф н + НАД + ↔ 1,3-бисфосфоглицерат + НАДH + H + | 6,3 | от -2 до 2 |
| 1,3-бисфосфоглицерат + АДФ ↔ 3-фосфоглицерат + АТФ | -18,8 | от 0 до 2 |
| 3-фосфоглицерат ↔ 2-фосфоглицерат | 4,4 | от 0 до 0,8 |
| 2-фосфоглицерат ↔ фосфоэнолпируват + H 2 O | 7,5 | от 0 до 3,3 |
| Фосфоэнолпируват + АДФ → пируват + АТФ | -31,4 | -16,7 |
Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Глюкоза + 2Ф н + 2АДФ + 2НАД + → 2 пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н + + 2Н 2 О.
Суммарное количество энергии, выделяющейся в процессе расщепления глюкозы до пирувата составляет 146 кДж / моль, на синтез двух молекул АТФ расходуется 61 кДж / моль, остальные 85 кДж / моль энергии превращается в тепло.
При полном окислении глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2840 кДж / моль, если сравнить это значение с общим выходом екзергоничних реакций гликолиза (146 кДж / моль), то становится понятно, что 95% энергии глюкозы остается «заключенной» в молекулах пирувата. Хотя реакции гликолиза являются универсальными почти для всех организмов, дальнейшая судьба его продуктов — пирувата и НАДН — отличается в разных живых существ и зависит от условий.
В аэробных организмов при достаточной концентрации кислорода НАД + регенерируется путем передачи электронов в дыхательная цепь переноса электронов, который в эукариот расположен во внутренней мембране митохондрий. Конечным акцептором электронов при этом является кислород. Пируват подвергается окислительного декарбоксилирования, превращается в ацетил-КоА и поступает в цикл Кребса, где происходит его дальнейшее окисление. Отщеплений электроны также попадают в дыхательная цепь переноса электронов.
С другой стороны, в анаэробных условиях восстановлен НАДH не может передать свои электроны на кислород, поэтому он переносит их или непосредственно назад на молекулу пирувата, как в процессе молочнокислого брожения, или на определенные продукты его превращения, например в ацетальдегид в случае спритового брожения. Анаэробный метаболизм глюкозы дает значительно меньше энергии, чем аэробный.
Включение других углеводов в процесс гликолиза
Кроме глюкозы в процессе гликолиза превращается еще большое количество углеводов, важнейшими из которых являются полисахариды крахмал и гликоген, дисахариды сахароза, лактоза, мальтоза и трегалоза, а также моносахариды, такие как фруктоза, галактоза и манноза.
Полисахариды
Полисахариды, включаются в процесс гликолиза, могут иметь разное происхождение, от чего зависит их судьба. Крахмал и гликоген, попадающих в организм животных с пищей, подлежат гидролиза до мономеров (глюкозы) в пищеварительной системе. У человека расщепление этих полисахаридов начинается в ротовой полости, продолжается в двенадцатиперстной кишке и завершается образованием глюкозы у стенок тонкого кишечника, где она и всасывается в кровь, откуда может поглощаться клетками и использоваться в процессе гликолиза.
С другой стороны, эндогенные полисахариды, откладываются про запас в клетках растений (крахмал) и животных и грибов (гликоген), включаются в гликолиз другим путем. Они подлежат не гидролиза, а фосфоролиз, который осуществляют ферменты фосфорилаза крахмала и гликогенфосфорилазы соответственно. Они катализируют атаку фосфорной кислоты на гликозидная α1 → 4 связь между ним и предпоследним остатками глюкозы с нередукуючого конца. Продуктом реакции является глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутаза на глюкозо-6-фосфат, который является промежуточным метаболитом гликолиза. Механизм такого превращения похож на изомеризацию 3-фосфоглицерат до 2-фосфоглицерат. Фосфоролиз внутриклеточных полисахаридов выгоден тем, что позволяет сохранить часть энергии гликозидных связей благодаря образованию фосфорилированного моносахарида. Таким образом экономится одна молекула АТФ на одну молекулу глюкозы.
Дисахариды
Как и полисахариды, дисахариды перед всасыванием должны быть гидролизованные до моносахаридов, что у человека катализируется ферментами присоединенными к внешней стороне клеток эпителия тонкого кишечника. Сахарозу расщепляет сахараза, мальтозу — мальтазой, трегалозу — Трегалаза, лактозу — лактаза. Экспрессия гена последнего фермента существенно снижается у взрослых млекопитающих, в том числе и у человека (лактоза — это дисахарид молока, большинство млекопитающих употребляют только в раннем детстве). Это приводит к невосприимчивости лактозы — непереваренный дисахарид становится пищей для микроорганизмов, живущих в толстом кишечнике. Они размножаются, выделяют большое количество газов (водорода и метана), молочной кислоты, повышает осмотичность содержимого кишечника. Вследствие этого возникает вздутие, метеоризм, боль и диарея. От невосприимчивости лактозы не страдают популяции людей на севере Европы и в некоторых районах Африки, которые приобрели полезной способности синтезировать фермент лактазу протяжении всей жизни.
Моносахариды
У большинства организмов нет отдельных путей для утилизации фруктозы, галактозы и маннозы. Все они превращаются в фосфорилированные производные и вступают в процесс гликолиза. Фруктоза, попадает в организм человека с фруктами и вследствие расщепления сахарозы в большинстве тканей, кроме печени, например в мышцах и почках, фосфорилируется гексокиназой к фруктозо-6-фосфата с использованием одной молекулы АТФ. В печени она имеет другой путь преобразования: сначала фруктокиназы переносит фосфатную группу на C-1 фруктозы, образованный фруктозо-1-фосфат расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолазы к глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфату. Обе триозы превращаются в глицеральдгед-3-фосфат: первый — под влиянием триозокиназа, второй — под влиянием гликолитического фермента триозофосфатизомеразы.
Галактоза образуется в организме в результате расщепления молочного сахара. Она поступает в печень и там превращается в глюкозо-6-фосфат за четыре шага: сначала галактокиназы катализирует фосфорилирования в первом положении, на образованный галактозо-1-фосфат переносится уридильна группа из УДФ-глюкозы при участии фермента галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Продуктами второй реакции является глюкозо-1-фосфат и УДФ-галактоза. Глюкозо-1-фосфат под влиянием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат и поступает в гликолиз, а УДФ-галактоза используется для регенерации УДФ-глюкозы, катализируемой УДФ-галактоза-4-эпимеразы. Дефект любого из ферментов метаболического пути превращения галактозы в глюкозу вызывает заболевания галактоземию. В зависимости от того, какой именно фермент не работает, галактоземия может быть различной сложности: например дисфункция галактокиназы вызывает образование катаракты у новорожденных вследствие отложения в хрусталике метаболита галактозы галактитолу, другие симптомы сравнительно легкие и могут быть устранены путем ограничения употребления лактозы и галактозы. Нарушение функционирования трансферазы и эпимеразы приводит к серьезным последствиям, в частности дефектов в развитии нервной системы, повреждения печени, может быть летальным.
Источником маннозы в организме могут быть различные полисахариды и гликопротеины пищи, она фосфорилируется в шестом положении гексокиназой, после чего может быть изомеризована к фруктозо-6-фосфата фосфоманозоизомеразою.
Регуляция гликолиза
Изучая процесс брожения у дрожжей Луи Пастер заметил такую закономерность: как скорость поглощения, так и общее количество использованной клетками глюкозы сильно увеличивалась за анаэробных условий по сравнению с аэробными. Причины этого явления, которое было названо эффектом Пастера, стали понятными после детального изучения процессов катаболизма: в присутствии кислорода происходит полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды, сопровождающееся синтезом 30-32 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы, а при его отсутствии брожения дает выход только 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Итак, в анаэробных условиях клетке нужно употребить в 15 раз больше глюкозы, чтобы получить то же количество АТФ.
Эффект Пастера свидетельствует о том, что гликолиз не происходит с одинаковой скоростью при любых условиях, а строго регулируется в клетке в зависимости от ее метаболических потребностей для того, чтобы поддерживать концентрацию АТФ приблизительно стабильном уровне и обеспечивать при необходимости строительные блоки для других метаболических путей. Моментальная регуляция может происходить за счет изменения активности трех ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Все они катализируют необратимые реакции и не участвуют в процессе глюконеогенеза. Более длительные изменения в скорости прохождения гликолиза происходят благодаря гормонам глюкагона, адреналина, инсулина, а также путем изменения экспрессии генов гликолитических ферментов.
Гексокиназа
У человека есть четыре изоформы фермента гексокиназы (I-IV), отличающиеся своими свойствами. Гексокиназа II, преобладает в мышечной ткани, имеет высокое сродство к своему субстрату — глюкозы, и уже при концентрации 0,1 мМ, в 40-50 раз меньше содержание глюкозы в крови, фермент наполовину насыщается. Благодаря этому гексокиназа II может работать с максимальной интенсивностью. Вместе с гексокиназой I, также присутствует в мышцах, гексокиназа II аллостерический и обратимо ингибируется продуктом реакции, которую она катализирует, — глюкозо-6-фосфат. Итак, когда гликолиз замедляется на последующих стадиях, в клетке накапливается глюкозо-6-фосфат, который подавляет реакцию собственного образования, и глюкоза больше не задерживается в клетке.
В печени другой изоферментный состав гекоскиназы — там преобладает гексокиназа IV, которую еще называют глюкокиназы. Она отличается от других изоформ тремя особенностями. Во-первых, глюкокиназа имеет низкое сродство к глюкозе, константа Михаэлиса составляет 10 мм, что превышает нормальное содержание глюкозы в крови. Во-вторых, активность этого фермента НЕ подавляется глюкозо-6-фосфат. В-третьих, существует специальный регуляторный белок присутствует только в клетках печени, ингибирует Гексокиназа IV путем заякорювання в ядре, где она отделена от других ферментов гликолиза. Этот белок более эффективно действует в присутствии фруктозо-6-фосфата, в то время как большие концентрации глюкозы ослабляют его эффект.
Набор таких свойств позволяет Гексокиназа IV эффективно выполнять свою функцию: регулировать уровень глюкозы в крови. При обычных условиях, когда он не превышает нормы (4-5 мм), гексокиназа неактивна, связана регуляторным белком в ядре и не может катализировать фосфорилирования. В результате печень не конкурирует с другими органами по глюкозу, а вновь в глюконеогенезе молекулы могут свободно выходить в кровь. Когда уровень глюкозы в крови возрастает, например после употребления пищи богатой углеводами, она быстро транспортируется GLUT2 в гептациты и вызывает диссоциацию глюкокиназы и регуляторного белка, после чего фермент может катализировать реакцию фосфорилирования.
Гексокиназа IV также регулируется на уровне биосинтеза белка, ее количество в клетке увеличивается, когда растут энергетические потребности, о чем может свидетельствовать низкая концентрация АТФ, высокая концентрация АМФ и тому подобное.
Фосфофруктокиназы
ФФК-1 — важнейший регуляторный фермент гликолиза он не только катализирует необратимое преобразование, но и является первым энзимом, однозначно направляет метаболиты на путь гликолитического расщепления (глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут использоваться в других метаболических путях). Как аллостерический фермент ФФК-1 кроме активного центра содержит также центры связывания положительных и отрицательных модуляторов (активаторов и ингибиторов), к ним относятся:
- АТФ, АДФ, АМФ. АТФ является не только субстратом, но и ингибитором для ФФК-1. Когда потребление этой молекулы в клетке происходит медленнее, чем ее синтез, она присоединяется к аллостерического центра фермента и снижает сродство ФФК-1 до фруктозо-6-фосфата. АДФ и АМФ, концентрация которых повышается в случае интенсивного использования АТФ, действуют как активаторы, ослабляя влияние АТФ на ФФК-1. Такой тип регуляции активности фосфофруктокиназы имеет место во всех тканях.
- Кислотность. В мышцах активность ФФК-1 зависит от кислотности среды. Вследствие интенсивного анаэробного расщепления глюкозы во время больших нагрузок в мышечных волокнах накапливается лактат, что приводит к снижению pH до уровня, может нести угрозу повреждения ткани. В таких условиях ФФК-1 снижает свою активность приостанавливая гликолиз. В печени отсутствует такой механизм регуляции этого фермента, поскольку там не происходит синтеза молочной кислоты.
- Цитрат является промежуточным метаболитом цикла трикарбоновых кислот. Его высокое содержание в цитоплазме свидетельствует о том, что клетка получает нужную энергию от окисления липидов и белков и о достаточном количестве биосинтетических предшественников. Так что в таких условиях отпадает необходимость в расщеплении глюкозы для синтеза АТФ или получения «строительных блоков» для анаболических, поэтому цитирует действует как ингибитор фосфофруктокиназы усиливая влияние на нее АТФ.
- Фруктозо-2,6-бисфосфат (Ф-2,6-БФ) стимулирует ФФК-1 в печени, его действие связано с регулированием уровня глюкозы в крови. Концентрация Ф-2,6-БФ зависит от активности бифункционального фермента ФФК-2 / ФБФ-2 (фосфофруктокиназы-2 / фруктозо-2,6-БИСФОСФАТАЗЫ), что может осуществлять как фосфорилирования фрутозо-6-фосфту с образованием Ф-2, 6-БФ (киназного активность), так и гидролиз последнего (фосфатазна активность). «Переключение» активностей ФФК-2 / ФБФ-2 происходит путем его фосфорилирования / дефосфорилирования, Фосфорилированная форма работает как фосфатаза, дефосфорильована — как киназа. Гормон инсулин, основная функция которого — уменьшение уровня глюкозы в крови, из-за ряда посредников стимулирует киназного активность бифункционального фермента, вследствие чего концентрация Ф-2,6-БФ растет и это соединение активирует ФФК-1, а следовательно и прохождения гликолиза. С другой стороны, глюкагон наоборот действует как активатор фосфтазнои активности ФФК-2 / ФБФ-2, имеет противоположный эффект на гликолитическую расщепления глюкозы. На активность бифункционального фермента также влияет ксилулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), который стимулирует киназного активность и таким образом ускоряет гликолиз. Эта регуляторная молекула важна для активации синтеза жирных кислот в гепатоцитах, когда в крови повышается уровень глюкозы.
Некоторые из модуляторов активности ФФК-1 влияют также на фермент фруктозо-1,6-БИСФОСФАТАЗЫ, которая катализирует в глюконеогенезе реакцию превращения фруктозо-1,6-бисфосфат в фруктозо-6-фосфат, но противоположным образом: ее ингибирует АМФ и Ф-2 6-БФ. Итак активация гликолиза в клетке сопровождается угнетением глюконеогенеза и наоборот. Это необходимо для предотвращения лишним затратам энергии в так называемых сусбтартних циклах.
Пируваткиназа
У млекопитающих найдено как минимум три изоферменты пируваткиназы, что экспрессируются в различных тканях. Эти изоферменты имеют много общего, например все они подавляются высокими концентрациями ацетил-КоА, АТФ и длинноцепочечных жирными кислотами (показатели того, что клетка хорошо обеспечена энергией), а также аланином (аминокислота, которая синтезируется из пирувата). Фруктозо-1,6-бисфосфат активирует различные изоферменты пируваткиназы. Однако печеночная изоформа (пируваткиназа L) отличается от мышечной (пируваткиназы M) наличием еще одного способа регуляции — путем ковалентной модификации фосфатной группой. В ответ на низкий уровень глюкозы в крови поджелудочной железой выделяется глюкагон, активирующий цАМФ-зависимой протеинкиназы. Этот фермент фосфорилирует пируваткиназы L, в результате чего последняя теряет свою активность. Итак гликолитическую расщепления глюкозы в печени замедляется и ее могут использовать другие органы.
Гликолиз в раковых клетках
1928 Отто Варбург обнаружил, что в раковых клетках почти всех типов гликолиз и поглощение глюкозы происходит примерно в 10 раз интенсивнее, чем у здоровых, даже в присутствии больших концентраций кислорода. Эффект Варбурга стал основой для разработки нескольких методов выявления и лечения рака.
Все раковые клетки, по крайней мере на начальных этапах развития опухоли растут в условиях гипоксии, то есть недостатка кислорода, из-за отсутствия сетки капилляров. Если они расположены на расстоянии более 100-200 мкм от ближайшей кровеносного сосуда, то должны полагаться только на гликолиз без дальнейшего окисления пирувата для получения АТФ. Йомвирно, что почти во всех раковых клетках в процессе злокачественной трансформации происходят следующие изменения: переход на получение энергии только путем гликолиза и приспособления к условиям повышенной кислотности, возникающих вследствие выделения молочной кислоты в межклеточную жидкость. Чем более агрессивная опухоль, тем быстрее в ней происходит гликолиз.
Приспособление раковых клеток к недостатку кислорода во многом происходит благодаря транскрипционных факторов индуцированном гипоксией (англ. Hypoxia-inducible transcription factor, HIF-1), который стимулирует повышение экспрессии как минимум восьми генов гликолитических ферментов, а также транспортеров глюкозы GLUT1 и GLUT3, активность которых не зависит от инсулина. Еще одним ефекторм HIF-1 является выделение клетками васкулярного эндотелиального фактора роста (англ. Vascular endothelial growth factor), что стимулирует образование кровеносных сосудов в опухоли. HIF-1 также выделяется мышцами во время тренировок, предусматривающие большую интенсивность нагрузки, в этом случае он имеет аналогичный эффект: усиливает способность к анаэробного синтеза АТФ и стимулирует рост капилляров.
В некоторых случаях повышенная интенсивность гликолиза может быть использована для нахождения местоположения опухоли в организме с помощью позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ). Пациенту в кровь вводят аналог глюкозы 2-флюоро-2-дезоксиглюкозу (ФДГ), меченый изотопом 18 F. Это вещество поглощается клетками и является субстратом для первого фермента гликолиза — гексокиназы, однако не может быть преобразована фосфоглюкоизмеразою, поэтому накапливается в цитоплазме. Скорость накопления зависит от интенсивности захвата аналога глюкозы и его фосфорилирования, оба процесса значительно быстрее происходят в раковых клетках, чем в здоровых. При распаде 18 F выделяются позитроны, которые фиксируются специальными сенсорами.
Особенности катаболизма глюкозы в злокачественных опухолях используются не только для диагностики, но и для разработки новых противораковых препаратов, среди которых: ингибиторы гексокиназы (2-дезоксиглюкоза, лонидамин, 3-бромпируват), Иматиниб (Gleevec), подавляющее определенную тирозинкиназы, которая стимулирует синтез гексокиназы, и другие.
Первый этап гликолиза – подготовительный , здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов .
Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой .
Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент изомераза ). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.
Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.
В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).
Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы . Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:
- при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
- при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров.
· Второй этап гликолиза
·
Второй этап гликолиза – это освобождение энергии
, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ
.
· Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа ) – окисление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.
· В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа ) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – , что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (от электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).
· Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.
· Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.
· Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.
· Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы . Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях . Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях.
· У плода и детей первых месяцев жизни преобладает анаэробный распад глюкозы, в связи с чем уровень лактата у них выше по сравнению со взрослыми.
· При наличии кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрию и превращается в ацетил-S-КоА.
Гликолиз- процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого является пировиноградная кислота. Гликолиз - общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах.
Этапы гликолиза :
I.Подготов.этап -фосфорилирование гексозы и ее расщепление на две фосфотриозы.
II. Первое субстратное фосфорилирование (начинается с 3-фосфо-глицеринового альдегида и кончается 3-фосфоглицериновой кислотой. В этом процессе на каждую фосфотриозу синтезируется одна молекула АТФ.)
III. Второе субстратное фосфорилирование (3-фосфо-глицериновая кислота за счет внутримолекулярного окисления отдает фосфат с образованием АТФ).
На активацию глюкозы необходима затрата энергии, что осуществляется в процессе образования фосфорных эфиров глюкозы в ряде подготовительных реакций . Глюкоза (в пиранозной форме) фосфорилируется АТР с участием гексокиназы, превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы в фруктозо-6-фосфат (фуранозная форма), являющуюся более лабильной формой молекулы гексозы.
Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется вторично фосфофруктокиназой с использованием еще одной молекулы АТР. Образующийся фруктозо-1,6-дифосфат - лабильная фуранозная форма с симметрично расположенными фосфатными группами. Обе эти группы несут отрицательный заряд отталкиваясь друг от друга электростатически. Такая структура легко расщепляется альдолазой на две фосфотриозы − на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА).
3-ФГА и ФДА легко превращаются друг в друга с участием триозофосфатизомеразы. Из-за расщепления молекулы гексозы на две триозы гликолиз иногда называют дихотомическим путем окисления глюкозы.
С 3-ФГА начинается II этап гликолиза - первое субстратное фосфорилирование . Фермент дегидрогеназа фосфоглицеринового альдегида (NAD-зависимый SH-фермент) образует с 3-ФГА фермент-субстратный комплекс, в котором происходит окисление субстрата, передача электронов и протонов на NAD + и образование высокоэнергетической связи (т. е. связь с очень высокой свободной энергией гидролиза). Далее осуществляется фосфоролиз этой связи: SH-фермент отщепляется от субстрата, а к остатку карбоксильной группы субстрата присоединяется неорганический фосфат. Высокоэнергетическая фосфатная группа с помощью фосфоглицераткиназы передается на AДФ и образуется АТФ. Так как в данном случае высокоэнергетическая ковалентная связь фосфата формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс получил название субстратного фосфорилирования. Таким образом, в. результате II этапа гликолиза образуются АТР и восстановленный NADH:
Последний этап гликолиза - второе субстратное фосфорилирование . 3-Фосфоглицериновая кислота с помощью фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Далее фермент енолаза катализирует отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты в молекуле, в результате чего образуется фосфоенолпируват − соединение, содержащее высокоэнергетическую фосфатную связь Фосфат фосфоенолпируватв при участии пируваткиназы передается на AДФ и образуется АТР, а енолпируват самопроизвольно переходит в более стабильную форму - пируват − конечный продукт гликолиза.
Энергетический выход гликолиза. При окислении одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. При этом за счет первого и второго субстратного фосфорилирования образуются четыре молекулы АТФ. Однако две молекулы АТФ тратятся на фосфорилирование гексозы на I этапе гликолиза. Таким образом, чистый выход гликолитического субстратного фосфорилирования составляет две молекулы АТФ.
Кроме того, на II этапе гликолиза на каждую из двух молекул фосфотриоз восстанавливается по одной молекуле НАДH. Окисление одной молекулы НАДH в электронтранспортной цепи митохондрий в присутствии О 2 сопряжено с синтезом трех молекул АТФ, а в расчете на две триозы (т. е. на одну молекулу глюкозы) - шесть молекул АТФ. Таким образом, всего в процессе гликолиза (при условии последующего окисления НАДH) образуются восемь молекул АТФ . Поскольку свободная энергия гидролиза одной молекулы АТФ во внутриклеточных условиях составляет около 41,868 кДж/моль (10 ккал), восемь молекул АТР дают 335 кДж/моль, или 80 ккал . Таков полный энергетический выход гликолиза в аэробных условиях.
Суммарное уравнение гликолиза:
С 6 Н 12 О 6 + 2 АТФ + 2 НАД + + 2Ф н + 4АДФ 2 ПВК + 4АТФ + 2НАДН
Значение гликолиза:
1) осуществляет связь между дыхательными субстратами и циклом Кребса;
2) поставляет на нужды клетки две молекулы АТФи две молекулы НАДH при окислении каждой молекулы глюкозы (в условиях аноксии гликолиз, по-видимому, служит основным источником АТФ в клетке);
3) производит интермедиаты для синтетических процессов в клетке (например, фосфоенолпируват, необходимый для образования фенольных соединений и лигнина);
4) в хлоропластах обеспечивает прямой путь для синтеза АТФ, независимый от поставок НАДФH; кроме того, через гликолиз в хлоропластах запасенный крахмал метаболизируется в триозы, которые затем экспортируются из хлоропласта.
Глюкоза + 2 АДФ + 2 НАД + + 2 H 3 PO 4 2 Пируват + 2АТФ + 2 НАДН + 2 Н +
Челночные механизмы.
Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называющихся челночными. Суть этих механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД + , и вновь переходит в цитозоль. Самая активная малат-аспартатная система, действующая в митохондриях печени, почек и сердца. На каждую пару электронов цитозольной НАДН, переданную на кислород по этой системе, образуется 3 молекулы АТФ.
В скелетных мышцах и мозге перенос восстановительных эквивалентов от цитозольной НАДН осуществляет глицеролфосфатная система. При этом восстановительные эквиваленты передаются в цепь переноса электронов через комплекс II, и поэтому синтезируется только 2 молекулы АТФ.
Выход атф при аэробном гликолизе.
Основное физиологическое значение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ.
В наибольшей зависимости от аэробного гликолиза находится мозг. Он расходует 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% кислорода потребляется мозгом. Поэтому недостаток глюкозы или кислорода проявляется, прежде всего, симптомами со стороны центральной нервной системы - головокружением, потерей сознания, судорогами.
Анаэробный гликолиз.
При аэробных условиях продуктом гликолиза в тканях является пируват, а НАДН, образовавшийся в ходе окисления, реокисляется за счет молекулярного кислорода. В анаэробных условиях, т. е. при недостатке кислорода в тканях, например в напряженно работающих скелетных мышцах, образовавшийся НАДН реокисляется не за счет кислорода, а за счет пирувата, восстанавливающегося при этом в лактат (молочную кислоту). Восстановление пирувата до лактата катализирует изофермент лактатдегидрогеназа .
Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов - М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.
Изомерные формы ЛДГ 1 и ЛДГ 2 обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ 3 - в поджелудочной железе, ЛДГ 4 и ЛДГ 5 в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ 5 быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ 1 катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.
Глико́лиз ферментативный процесс анаэробного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы) в клетках человека и животных, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), основного аккумулятора химической энергии в клетке, и заканчивающийся образованием молочной кислоты (лактата). У растений и микроорганизмов процессами, аналогичными, являются различные виды брожения (Брожение). Г. является наиболее важным анаэробным путем распада углеводов (Углеводы), играющим значительную роль в обмене веществ и энергии (Обмен веществ и энергии). В условиях недостаточности кислорода единственным процессом, поставляющим энергию для осуществления физиологических функций организма, оказывается Г., а в аэробных условиях Г. представляет первую стадию окислительного превращения глюкозы (Глюкоза) и других углеводов до конечных продуктов их распада - СО2 и Н2О (см. Дыхание тканевое). Интенсивный Г. происходит в скелетных мышцах, где он обеспечивает возможность развития максимальной активности мышечного сокращения в анаэробных условиях, а также в печени, сердце, головном мозге. Реакции Г. протекают в цитозоле.
Глико́лиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена - Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) - ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.
Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.
Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2 молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода.
Гликолиз - один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд лет назад у первичных прокариотов.
Локализация
В клетках эукариотических организмов десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до ПВК, находятся в цитозоле, все остальные ферменты, имеющие отношение к энергетическому обмену, - в митохондриях и хлоропластах. Поступление глюкозы в клетку осуществляется двумя путями: натрий-зависимый симпорт (преимущественно для энтероцитов и эпителия почечных канальцев) и облегчённая диффузия глюкозы с помощью белков-переносчиков. Работа этих белков-транспортёров контролируется гормонами и, в первую очередь, инсулином. Сильнее всего инсулин стимулирует транспорт глюкозы в мышцах и жировой ткани.
Результат
Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД∙H.
Полное уравнение гликолиза имеет вид:
Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.
При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:
Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.
Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ.
У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания - окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, - дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.
Путь
Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецефичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы - глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф):
Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg2+, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза.
Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы. Фосфорилирование глюкозы - это единственная реакция в организме, в которой глюкоза участвует как таковая.
Печёночный изофермент гексокиназы - глюкокиназа - имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.
В следующей реакции (2) ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф):
Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза.
Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы (4).
Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.
Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата:
В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй (5), который и участвует в дальнейших превращениях:
Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата(6):
Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3. Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.
Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфоглицерат (8):
Енолаза образует фосфоенолпируват (9):
И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10):
Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.
С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают только реакции 7 и 10, в которых и происходит к субстратное фосфорилирование АДФ.
Дальнейшее развитие
Окончательная судьба пирувата и НАД∙H, образованных в процессе гликолиза зависит от организма и условий внутри клетки, в особенности от наличия или отсутствия кислорода или других акцепторов электронов.
У анаэробных организмов пируват и НАД∙H далее подвергаются брожению. При молочнокислом брожении, например, у бактерий пируват под действием фермента лактатдегидрогеназы восстанавливается в молочную кислоту. У дрожжей сходным процессом является спиртовое брожение, где конечными продуктами будут этанол и углекислый газ. Известно также маслянокислое и лимоннокислое брожение.
Маслянокислое брожение:
глюкоза → масляная кислота + 2 CO2 + 2 H2O.
Спиртовое брожение:
глюкоза → 2 этанол + 2 CO2.
Лимоннокислое брожение:
глюкоза → лимонная кислота + 2 H2O.
Брожение имеет важное значение в пищевой промышленности.
У аэробов пируват как правило попадает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а НАД∙H в итоге окисляется кислородом на дыхательной цепи в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования.
Несмотря на то, что метаболизм человека преимущественно аэробный, в интенсивно работающих скелетных мышцах наблюдается анаэробное окисление. В условиях ограниченного доступа кислорода пируват превращается в молочную кислоту, как происходит при молочнокислом брожении у многих микроорганизмов:
ПВК + НАД∙Н + H+ → лактат + НАД+.
Боли в мышцах, возникающие через некоторое время после непривычной интенсивной физической нагрузки, связаны с накоплением в них молочной кислоты.
Образование молочной кислоты является тупиковой ветвью метаболизма, но не является конечным продуктом обмена веществ. Под действием лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется снова, образуя пируват, который и участвует в дальнейших превращениях.
