Суммарное уравнение гликолиза. Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа Гликолиз в раковых клетках
Полное окисление 1 грамм-молекулы глюкозы сопровождается выделением 686000 калорий энергии, при этом только 12000 калорий необходимо для образования 1 грамм-молекулы АТФ. Если бы сразу вся глюкоза окислялась до воды и углекислого газа при образовании 1 молекулы АТФ, потери энергии были бы неизбежны. К счастью, во всех клетках организма присутствуют особые белковые ферменты, обеспечивающие последовательное поэтапное расщепление молекулы глюкозы при образовании молекулы АТФ. При этом выделяемая на каждом этапе небольшими порциями энергия используется для образования АТФ, что обеспечивает образование 38 моль АТФ при окислении каждого моля глюкозы.
Едва ли не самый важный способ преобразования молекулы глюкозы , приводящий к высвобождению энергии, начинается процессом гликолиза. Конечные продукты гликолиза подлежат последующему окислению, что сопровождается высвобождением энергии. Гликолиз - это последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется с образованием двух молекул пировиноградной кислоты.
Гликолиз обеспечивается 10 последовательными реакциями , представленными на рисунке. Каждый из этих этапов катализируется одним из специфических белков-ферментов. Обратите внимание, что глюкоза прежде всего превращается в фруктозо-1,6-дифосфат, а затем расщепляется на 2 молекулы, содержащие три атома углерода, глицеральдегид-3-фосфат, каждая из которых, пройдя пять дополнительных этапов, становится пировиноградной кислотой.
Образование АТФ во время гликолиза . При расщеплении молекулы глюкозы на большей части этапов выделяется очень небольшое количество свободной энергии, несмотря на многочисленность химических реакций, участвующих в процессе гликолиза. Однако на этапах преобразования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоенолпировиноградной кислоты - в пировиноградную кислоту выделяются порции энергии более 12000 калорий на моль, чем необходимо для образования молекулы АТФ, поэтому эти этапы и сопровождаются образованием АТФ. В итоге из каждого моля фруктозо-1,6-фосфата при его расщеплении до пировиноградной кислоты образуются 4 моля АТФ.
Две молекулы АТФ необходимы для фосфорилирования исходной глюкозы при образовании фруктозо-1,6-дифосфата, т.е. для обеспечения начальных этапов гликолиза, поэтому чистый выход АТФ в процессе гликолиза составляет только 2 моля АТФ на каждый моль использованной глюкозы. При этом количество энергии, запасенной в виде АТФ, эквивалентно 24000 калорий. Во время гликолиза суммарно около 56000 калорий теряется на каждый использованный моль глюкозы, поэтому в целом эффективность этого механизма в пересчете на количество связанной в форме АТФ энергии составляет всего 43%. Остальные 57% энергии теряются в виде тепла.
Следующая стадия расщепления глюкозы получила название цикла лимонной кислоты (другое название - цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса). Этот цикл представляет собой последовательность химических реакций, в результате которых ацетил-КоА расщепляется до углекислого газа и атомов водорода. Эти реакции осуществляются в матриксе митохондрий. Атомы водорода, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, будут последовательно окисляться (что обсуждается далее) с выделением огромного количества энергии в виде АТФ.
На рисунке показаны различные этапы химических реакций цикла лимонной кислоты. Вещества, показанные в левой части рисунка, вступают в химические реакции, а продукты этих реакций изображены в правой части рисунка. Заметьте, что верхняя часть колонки начала химических реакций представлена щавелево-уксусной кислотойу и в конце цепи реакций в основании колонки вновь появляется щавелево-уксусная кислота.
На начальной стадии цикла лимонной кислоты ацетил-КоА взаимодействует с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. Коэнзим А отделяется от ацетил-КоА и может использоваться вновь для образования новых молекул ацетил-КоА из пировиноградной кислоты.
Ацетильная часть может использоваться, становясь составной частью молекулы лимонной кислоты. На протяжении последующих стадий цикла лимонной кислоты в реакцию вступают молекулы воды, как показано в левой части рисунка. В итоге образуются углекислый газ и атомы водорода.
Суммарный итог реакций цикла лимонной кислоты приводится на рисунке. В итоге метаболических процессов из каждой исходной молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ацетил-КоА, вступающие в реакции цикла лимонной кислоты наряду с 6 молекулами воды. В результате образуются 4 молекулы углекислого газа, 16 атомов водорода и 2 молекулы коэнзима А. Кроме того, образуются 2 молекулы АТФ.
Общий обзор
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-х 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 + 2Ф н = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H 2 O + 2Н + .При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:
Глюкоза + 2АДФ + 2Ф н = 2лактат + 2АТФ + 2H 2 O .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 тканеспецифичного 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 Mg 2+ , 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.
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 ):
Далее с 1,3-дифосфоглицерата , содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (реакция 7 ) - образуется молекула АТФ :
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 CO 2 + 2 H 2 O.
Спиртовое брожение:
Глюкоза → 2 этанол + 2 CO 2 .
Лимоннокислое брожение:
Глюкоза → лимонная кислота + 2 H 2 O.
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.
Регуляция гликолиза
Различают местную и общую регуляцию.
Местная регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов под действием различных метаболитов внутри клетки.
Регуляция гликолиза в целом, сразу для всего организма, происходит под действием гормонов , которые, влияя через молекулы вторичных посредников, изменяют внутриклеточный метаболизм.
Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину. Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными ингибиторами гликолиза.
Инсулин стимулирует гликолиз через:
- активацию гексокиназной реакции;
- стимуляцию фосфофруктокиназы;
- стимуляцию пируваткиназы.
Также на гликолиз влияют и другие гормоны. Например, соматотропин ингибирует ферменты гликолиза, а тиреоидные гормоны являются стимуляторами.
Регуляция гликолиза осуществляется через несколько ключевых этапов. Реакции, катализируемые гексокиназой (1 ), фосфофруктокиназой (3 ) и пируваткиназой (10 ) отличаются существенным уменьшением свободной энергии и являются практически необратимыми, что позволяет им быть эффективными точками регуляции гликолиза.
Регуляция гексокиназы
Гексокиназа ингибируется продуктом реакции - глюкозо-6-фосфатом, который аллостерически связывается с ферментом, изменяя его активность.
По причине того, что основная масса Г-6-Ф в клетке производится путём расщепления гликогена , гексокиназная реакция, по сути, для протекания гликолиза не является необходимой, и фосфорилирования глюкозы в регуляции гликолиза исключительной важности не имеет. Гексокиназная реакция является важным этапом регуляции концентрации глюкозы в крови и в клетке.
При фосфорилировании глюкоза теряет способность транспортироваться через мембрану молекулами-переносчиками, что создаёт условия для накопления её в клетке. Ингибирование гексокиназы Г-6-Ф ограничивает поступление глюкозы в клетку, предотвращая её чрезмерное накопление.
Глюкокиназа (IV изотип гексокиназы) печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом, и клетки печени продолжают накапливать глюкозу даже при высоком содержании Г-6-Ф, из которого в дальнейшем синтезируется гликоген. По сравнению с другими изотипами глюкокиназа отличается высоким значением константы Михаэлиса , то есть на полную мощность фермент работает только в условиях высокой концентрации глюкозы, которая бывает почти всегда после приёма пищи.
Глюкозо-6-фосфат может превращаться обратно в глюкозу при действии глюкозо-6-фосфатазы. Ферменты глюкокиназа и глюкозо-6-фосфатаза участвуют в поддержании нормальной концентрации глюкозы в крови.
Регуляция фосфофруктокиназы
Интенсивность протекания фосфофруктокиназной реакции решающим образом сказывается на всей пропускной способности гликолиза, а стимуляция фосфофруктокиназы считается наиболее важным этапом регуляции.
Фосфофруктокиназа (ФФК) - это тетрамерный фермент, существующий поочерёдно в двух конформационных состояниях (R и T), которые находятся в равновесии и попеременно переходят из одного в другое. АТФ является одновременно и субстратом, и аллостерическим ингибитором ФФК.
В каждой из субъединиц ФФК имеется по два центра связывания АТФ: субстратный сайт и сайт ингибирования. Субстратный сайт одинаково способен присоединять АТФ при любой конформации тетрамера. В то время как сайт ингибирования связывает АТФ исключительно, когда фермент находится в конформационном состоянии T. Другим субстратом ФФК является фруктозо-6-фосфат, который присоединяется к ферменту предпочтительно в R-состоянии. При высокой концентрации АТФ сайт ингибирования занимается, переходы между конформациями фермента становятся невозможными, и большинство молекул фермента оказываются стабилизированными в T-состоянии, неспособном присоединить Ф-6-Ф. Однако ингибирование фосфофруктокиназы АТФ подавляется АМФ, который присоединяется к R-конформациям фермента, стабилизируя таким образом состояние фермента для связывания Ф-6-Ф.
Наиболее важным же аллостерическим регулятором гликолиза и глюконеогенеза является фруктозо-2,6-бифосфат , который не является промежуточным звеном этих циклов. Фруктозо-2,6-бифосфат аллостерически активирует фосфофруктокиназу.
Синтез фруктозо-2,6-бифосфата катализируется особым бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2/фруктозо-2,6-бифосфатазой (ФФК-2/Ф-2,6-БФаза). В нефосфорилированной форме белок известен как фосфофруктокиназа-2 и имеет каталитическую активность по отношению к фруктозо-6-фосфату, синтезируя фруктозо-2-6-бифосфат. В результате чего значительно стимулируется активность ФФК и сильно ингибируется активность фруктозо-1,6-бифосфатазы. То есть при условии активности ФФК-2 равновесие этой реакции между гликолизом и глюконеогенезом смещается в сторону первого - синтезируется фруктозо-1,6-бифосфат.
В фосфорилированном виде бифункциональный фермент не обладает киназной активностью, а наоборот в его молекуле активируется сайт, который гидролизует Ф2,6БФ на Ф6Ф и неорганический фосфат. Метаболический эффект фосфорилирования бифункционального фермента состоит в том, что аллостерическая стимуляция ФФК прекращается, аллостерическое ингибирование Ф-1,6-БФазы ликвидируется и равновесие смещается в сторону глюконеогенеза. Продуцируется Ф6Ф и затем - глюкоза.
Взаимопревращения бифункционального фермента осуществляются цАМФ-зависимой протеинкиназой (ПК), которая в свою очередь регулируется циркулирующими в крови пептидными гормонами.
Когда в крови снижается концентрация глюкозы, тормозится также и образование инсулина , а выделение глюкагона напротив стимулируется, и его концентрация в крови резко повышается. Глюкагон (и другие контринсулярные гормоны) связываются с рецепторами плазматической мембраны клеток печени, вызывая активацию мембранной аденилатциклазы . Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в циклический АМФ. цАМФ связывается с регуляторной субъединицей протеинкиназы, вызывая высвобождение и активизацию её каталитических субъединиц, которые фосфорилирует ряд ферментов, включая и бифункциональную ФФК-2/Ф-2,6-БФазу. При этом в печени прекращается потребление глюкозы и активизируются глюконеогенез и гликогенолиз , восстанавливая нормогликемию.
Пируваткиназа
Следующим шагом, где осуществляется регуляция гликолиза, является последняя реакция - этап действия пируваткиназы. Для пируваткиназы также описан ряд изоферментов, имеющих особенности регуляции.
Печёночная пируваткиназа (L-тип) регулируется при фосфорилировании, аллстерическими эффекторами и путём регуляции экспрессии генов. Фермент ингибируется АТФ и ацетил-КоА и активируется фруктозо-1,6-бифосфатом. Ингибирование пируваткиназы АТФ происходит подобно действию АТФ на ФФК. Связывание АТФ с сайтом ингибирования фермента уменьшает его сродство к фосфоенолпирувату. Печёночная пируваткиназа фосфорилируется и ингибируется протеинкиназой, и таким образом также находится под гормональным контролем. Кроме того, активность печёночной пируваткиназы регулируется и количественно, то есть изменением уровня его синтеза. Это медленная, долговременная регуляция. Увеличение в рационе углеводов стимулирует экспрессию генов, кодирующих пируваткиназу, в результате уровень фермента в клетке повышается.
М-тип пируваткиназы , найденный в головном мозге, мышцах и других глюкозо-потребных тканях не регулируется протеинкиназой. Это принципиально в том, что метаболизм этих тканей определяется только внутренними потребностями и не зависит от уровня глюкозы в крови.
Мышечная пируваткиназа не подвержена внешним влияниям, таким как понижение уровня глюкозы в крови или выброс гормонов. Внеклеточные условия, которые приводят к фосфорилированию и ингибированию печёночного изофермента, не изменяют активность пируваткиназы М-типа. То есть интенсивность гликолиза в поперечнополосатой мускулатуре определяется только условиями внутри клетки и не зависит от общей регуляции.
Значение
Гликолиз - катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров . Пируват также может быть использован для синтеза аланина , аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.
См. также
Ссылки
- Гликолиз (англ.)
Wikimedia Foundation . 2010 .
В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.
Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях , при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.
Гликолиз
Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.
Первый этап гликолиза
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 глюкозофосфат-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 (использование энергии 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.
Гликолиз (от греч. glycus - сладкий и lysis - растворение, распад) - сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется также АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:
В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря процессу гликолиза организм человека и животных определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе. (В аэробных условиях гликолиз можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого процесса - углекислоты и воды. )
Впервые термин «гликолиз» применил Лепин в 1890 г. для обозначения процесса убыли глюкозы в крови, изъятой из кровеносной системы, т. е. in vitro.
У ряда микроорганизмов процессами, аналогичными гликолизу, являются различные виды брожения .
Последовательность реакций гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно изучены. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме клетки. В табл. 27 приведены данные относительно скорости анаэробного гликолиза в различных тканях крысы.
Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т. е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:
Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции связано с освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.
Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и др.
Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента гексозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:
Эта реакция протекает легко в обоих направлениях и не нуждается в присутствии каких-либо кофакторов.
В третьей реакции образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой:
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает она в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.
Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АДФ и АМФ. (Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз. В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом. ). При значительных величинах отношения АТФ/АДФ (что достигается в процессе окислительного фосфорилирования) активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.
Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы:
Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. В целом же при повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).
Пятая реакция - реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется эта реакция ферментом триозофосфатизомеразой:
Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. Однако в последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.
Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия - наиболее сложная и важная часть гликолиза. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (гликолитическую оксидоредукцию), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.
В шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида ), кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН 2). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает она в несколько этапов. Суммарно данную реакцию можно изобразить в следующем виде:
1,3-Дифосфоглицериновая кислота представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН 2 глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота.
В седьмой реакции, которая катализируется фосфоглицераткиназой, происходит передача богатой энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):
Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ.
В восьмой реакции происходит внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).
Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg 2+ . Кофактором фермента является также 2,3-дифосфоглицериновая кислота, аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполнялась глюкозо-1,6-дифосфатом:
В девятой реакции 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). При этом фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Реакция катализируется ферментом енолазой:
Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg 2+ или Мn 2+ и ингибируется фторидом.
В десятой реакции происходят разрыв высокоэргической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ. Катализируется эта реакция ферментом пируваткиназой:
Для действия пируваткиназы необходимы Mg 2+ или Мn 2+ , а также одновалентные катионы щелочных металлов (К + или другие). Внутри клетки реакция является практически необратимой.
В одиннадцатой реакции в результате восстановления пировиноградной кислоты образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН 2+ :
В целом последовательность протекающих при гликолизе реакций может быть представлена в следующем виде (рис. 84).
Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. При этом НАД здесь играет роль лишь промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция) на пировиноградную кислоту (одиннадцатая реакция). Ниже схематично изображена реакция гликолитической оксидоредукции, а также указаны этапы, на которых происходит образование АТФ (рис. 85).
Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. В первой стадии гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). Во второй стадии образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).
Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.
Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:
Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливаются в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ. Концевая макроэргическая связь в молекуле АТФ соответствует примерно 33,6-42,0 кДж/моль. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного гликолиза составляет около 0,4.
Величины изменения свободной энергии точно определены для отдельных реакций гликолиза в интактных эритроцитах человека. Установлено, что восемь реакций гликолиза близки к равновесию, а три реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) далеки от него, поскольку они сопровождаются значительным уменьшением свободной энергии, т. е. практически являются необратимыми.
Как уже отмечалось, основной лимитирующей скорость гликолиза реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой. Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим гликолиз, служит гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ 1 и ЛДГ 2 . Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.
В тканях человека, в значительной степени зависящих от энергии, образующейся в процессе гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ 5 и ЛДГ 4 . Активность ЛДГ 5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ 1 . Преобладание изоферментов ЛДГ 4 и ЛДГ 5 обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.
Включение других углеводов в процесс гликолиза
Эффект Пастера
Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лактата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных исследований, касающихся роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано, что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях, где O 2 тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера, т. е. перехода в присутствии O 2 от анаэробного гликолиза или брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на более экономный путь получения энергии. В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии O 2 снижается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-видимому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения) за аденозиндифосфат (АДФ), используемый для образования аденозинтрифосфата (АТФ). Как мы уже знаем, в аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление Ф н и АДФ, генерация АТФ, а также удаление восстановленного НАД (НАДН 2). Иными словами, уменьшение в присутствии кислорода количества Ф н и АДФ и соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.
Гликогенолиз
Процесс анаэробного распада гликогена получил название гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии трех ферментов - гликогенфосфорилазы,(или фосфорилазы «а»), амило-1,6-глюкозидазы и фосфоглюкомутазы.
Образовавшийся в ходе фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:
В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы АТФ (не тратится АТФ на образование глюкозо-6-фосфата). На первый взгляд, энергетически эффективность гликогенолиза может считаться несколько более высокой по сравнению с процессом гликолиза. Однако надо иметь в виду, что в процессе синтеза гликогена в тканях расходуется АТФ, поэтому в энергетическом плане гликогенолиз и гликолиз практически равноценны.
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.
