172

Топик к лекции
ГЛИКОЛИЗ
Гликолиз – это центральный путь катаболизма глюкозы. Конечные
продукты, преимущественно: лактат в анаэробных условиях, CO2 и H2O в
аэробных (пируват). Гликолиз протекает во всех клетках. Это уникальный
путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен
(аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода
(анаэробные условия).
Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в
образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях
гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ
(фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом,
энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет
2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.
Субстратами гликолиза кроме глюкозы м. б. другие моносахариды, а
также полисахариды. В мышечной ткани, где основной субстрат гликолизгликоген, процесс начинается с реакции I и наз. гликогенолизом. У растений
субстратом для гликолиза может служить крахмал.
Стадии, в которых осуществляются необратимые реакции (II-IV), играют
существенную роль в регуляции скорости гликолиза. Наиболее важный
регуляторный фермент-фосфофруктокиназа, катализирующая реакцию III; ее
активность ингибируется АТФ, НАДН, лимонной и жирными кислотами,
стимулируется АДФ и АМФ. Реакции II и IV катализируются соответственно
гексокиназой и пируваткиназой, активность которых регулируется
адениловыми нуклеотидами, промежуточными продуктами гликолиза и
цикла трикарбоновых кислот. У животных и человека в регуляции гликолиза
принимают участие также гормоны.
Интенсивный гликолиз происходит в скелетных мышцах, где он
поставляет энергию для мышечных сокращений, а также в печени, сердце,
мозге животных и человека.
Процессами, аналогичными гликолизу, являются молочнокислое,
маслянокислое, спиртовое, глицериновое брожение, протекающее в
растительных, дрожжевых и бактериальных клетках. Интенсивность
отдельных стадий гликолиза зависит от кислотности – рН (оптимум рН 7–8),
температуры и ионного состава среды.
В присутствии O2 скорость гликолиза снижается (эффект Пастера). Есть
примеры подавления гликолизом тканевого дыхания (эффект Кребтри) в
некоторых интенсивно гликолизирующих тканях.
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.
Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину.
Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными
ингибиторами гликолиза.
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-3фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является
полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания
реакций присутствия кислорода.
Первой
ферментативной
реакцией
гликолиза
является
фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет
АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой.
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. Вовторых, 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.
Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата
под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6фосфат.
Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не
требуется каких-либо кофакторов.
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.
Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой;
образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй
молекулы АТФ.
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима,
протекает 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 АМФ . При значительных величинах
отношения АТФ/АМФ 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-бисфосфат расщепляется на две
фосфотриозы.
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.
Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие
устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция
сдвигается
в
сторону
большего
образования
триозофосфатов
(дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).
Пятая реакция – это реакция изомеризации
Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой.
триозофосфатов.
Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону
дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5%
глице-ральдегид-3-фосфата. 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-3фосфат.
Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая
стадия гликолиза. Вторая стадия – наиболее сложная и важная. Она включает
окислительно-восстановительную реакцию (реакция гликолитической
оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в
процессе которого образуется АТФ.
В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии
фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и
неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с
образованием 1,3-дисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы
НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает в
несколько этапов.
Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к
следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД+ выступает как
акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В
процессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с
молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь
богата энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием
неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-дисфосфоглицериновая
кислота.
Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в
присутствии
дегидрогеназы
глицеральдегидфосфата
до
1,3дифосфоглицерата (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.
Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом
оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота
превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).
Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+.
Кофактором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота
аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора
выполняет глюкозо-1,6-дисфосфат.
Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+или Мn2+ и
ингибируется фторидом.
Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды
переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а
фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической.
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. Для действия пируваткиназы
необходимы ионы Mg2+, а также одновалентные катионы щелочных металлов
(К+ или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.
С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают
только реакции 7 и 10, в которых и происходит к субстратное
фосфорилировнаие АДФ.
Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и
переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное
фосфорилирование).
Реокисление NADH путем образования лактата обеспечивает возможность
протекания гликолиза в отсутствие кислорода, поскольку поставляется
NAD+ необходимый для глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции.
Таким образом, в тканях, функционирующих в условиях гипоксии ,
наблюдается образование лактата ( Пентозофосфатный путь, гликолиз,
глюконеогенез: метаболическая карта ). Это в особенности справедливо в
отношении скелетной мышцы, интенсивность работы которой в
определенных пределах не зависит от поступления кислорода.
Образующийся лактат может быть обнаружен в тканях, крови и моче.
Гликолиз в эритроцит ах даже в аэробных условиях всегда завершается
образованием лактата, поскольку в этих клетках отсутствуют митохондрии,
содержащие ферментные системы аэробного окисления пирувата.
Эритроциты млекопитающих уникальны в том отношении, что около 90% их
потребностей, в энергии обеспечивается гликолизом. Помимо скелетной
мышцы и эритроцитов ряд других тканей ( мозг , желудочно-кишечный тракт
, мозговой слой почек , сетчатка и кожа ) в норме частично используют
энергию гликолиза и образуют молочную кислоту. Печень, почки и сердце
обычно утилизируют лактат, но в условиях гипоксии образуют его.
Прежде чем пируват вступает в цикл лимонной кислоты , он должен быть
транспортирован в митохондрию; специальный переносчик обеспечивает
перенос молекул пирувата через внутреннюю митохондриальную мембрану
по механизму симпорта с протоном . Внутри митохондрии происходит
окислительное декарбоксилирование пирувата и образование ацетил-CoA :
PYR+NAD+CoA=ACE*+NADH+CO2 . Эта реакция катализируется
несколькими различными ферментами, работающими в определенной
последовательности
и
объединенными
в
мультиферментный
пируватдегидрогеназный
комплекс,
аналогичный
альфакетоглутаратдегидрогеназному комплексу
При дефиците кислорода или полном его отсутствии происходит
анаэробный гликолиз. Молекула глюкозы расщепляется и окисляется до двух
молекул молочной кислоты, и энергии окисления глюкозы в этом случае
хватает только на две молекулы АТФ . Это результат неполного окисления
глюкозы. Благодаря этому мы можем короткое время обходиться без
кислорода.
При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется всего две
молекулы АТФ. В итоге в клетке снижаются запасы АТФ и энергии. При
анаэробном гликолизе накапливается молочная кислота, и возникает
внутриклеточный ацидоз. Нарушается работа ионных насосов, снижается
трансмемранный потенциал, и в клетке накапливаются Nа+ и вода.
Уменьшаются концентрационные градиенты К+, Сl-, Са2+. Накопление в
клетке кальция усугубляет поражение митохондрий.
В анаэробных условиях гликолиз становится основным процессом,
обеспечивающим клетку АТФ.
В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление
пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает
при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН,
образовавшегося в шестой реакции.
Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительновосстановительный цикл гликолиза. НАД+ при этом играет роль
промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я
реакция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он
регенерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе,
получившем название гликолитический оксидоредукции.