Процесс гликолиза. Аэробный гликолиз. Что такое анаэробный гликолиз

Так было впервые установлено, что брожение может происходить вне живых клеток . В году Эдуард Бюхнер 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 ), в мышцах - Густав Эмбдена 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 фосфорилированных соединений в метаболизме , открытие коэнзимов , таких как НАД .

2. Распространение и значение

Другими путями окисления глюкозы является пентозофосфатный путь и путь Ентнера-Дудорова . Последний является заменой гликолиза в некоторых грамотрицательных и, очень редко, грамположительных бактерий и имеет много общих черт с ним ферментов .

3. 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 фосфорилирование глюкозы в шестом положении, изомеризация полученного глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата, и повторное фосфорилирования уже в первом положении, в результате чего образуется фруктозо-1 ,6-бисфосфат. Фосфатные группы на моносахариды переносятся из 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) фосфотриоза (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:

3.1. Первая стадия

3.1.1. Фосфорилирования глюкозы

Первая реакция гликолиза - фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата, катализируемой ферментом гексокиназой . Донором фосфатной группы является молекула АТФ . Реакция происходит только в присутствии ионов Mg 2 + , так как настоящим субстратом для гексокиназы является не АТФ 4 -, а комплекс MgАТФ 2 -. Магний экранирует отрицательный заряд фосфатной группы, таким образом облегчая осуществление нуклеофильной атаки на последний атом фосфора гидроксильной группой глюкозы .

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 фосфорилированной формы. Поэтому большая заряженная молекула глюкозо-6-фосфата не может проникнуть через мембрану несмотря на то, что его концентрация в цитоплазме больше, чем во внеклеточной жидкости .

3.1.2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата

Во второй реакции гликолиза происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата под действием фермента глюкозофосфатизомеразы (гексозофосфатизомеразы). Сначала происходит открытие шестичленного пиранозного кольца глюкозо-6-фосфата, т.е. переход этого вещества в линейную форму, после чего карбонильная группа из первого положения переносится во второй через промежуточную ендиольну форму . Есть альдозы превращается в кетоза. Образована линейная молекула фруктозо-6-фосфата замыкается в пятичленные фуранозне кольцо .

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 .

3.1.3. Фосфорилирования фруктозо-6-фосфата

После стадии изомеризации идет вторая реакция фосфорилирования , в которой фруктозо-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) .

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 превращения, а фруктозо-1 ,6-бисфосфат используется только в гликолизе. Именно образование фруктозо-1 ,6-бисфосфат является лимитирующим стадией гликолиза .

У растений, некоторых бактерий и простейших также форма фосфофруктокиназы, использующий в качестве донора фосфатной группы пирофосфат , а не АТФ . ФФК-1 как алостеричний фермент подлежит сложным механизмам регулирования. К положительным модуляторов относятся продукты расщепления АТФ - АДФ и АМФ , рибулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), у некоторых организмов фруктозо-2 ,6-бисфосфат. Негативным модулятором является АТФ .

3.1.4. 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 показан на схеме:

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 альдольной расщепление еще раз демонстрирует важность изомеризации во второй реакции гликолиза. При таком преобразованию подлежала альдозы (глюкоза), то образовалась бы одна двокарбонова и одна чотирикарбонова соединение, каждая из которых должна метаболизироваться собственным шялхом. Зато трикарбонови соединения образованы в результате расщепления кетозы (фруктозы) могут легко превращаться друг в друга .

3.1.5. 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) .

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 Карбона , происходящих от ее C-1, C-2 и C-3, становятся химически неотличимы от C-6, C-5 и C-4 соответственно. Эта реакция завершает подготовительную стадию гликолиза .

3.2. Вторая стадия

3.2.1. Окисления глицеральдегид-3-фосфата

Изменение свободной энергии при окисления глицеральдегид-3-фосфата и фосфорлиювання образованного 3-фосфоглицерату, если они происходят последовательно (сверху) и если они сопряжены благодаря ковалентной связыванию промежуточного продукта с ферментом (снизу).

Первой реакцией стадии отдачи энергии гликолиза является окисление глицеральдегид-3-фосфата с одновременным его фосфорилированием, что осуществляется ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Альдегид превращается не в свободную кислоту , а в смешанный ангидрид с фосфатной кислотой (1,3-бисфосфоглицерат). Соединения такого типа - ацилфосфаты - имеют очень большую отрицательную смену 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 ортофосфатною кислотой .

Для прохождения этой стадии гликолиза необходимый кофермент НАД +. Его концентрация в клетке (менее 10 -5 М) значительно меньше, чем количество глюкозы, метаболизируется минуту. Поэтому в клетке постоянно происходит повторное окисления НАД + .

3.2.2. 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 .

Шестая и седьмая реакции гликолиза сопряжены 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 , что покрывает энергетические затраты первой стадии гликолиза.

3.2.3. Изомеризация 3-фосфоглицерату

В восьмой реакции гликолиза фермент фосфоглицератмутаза в присутствии ионов Магния катализирует перенос фосфатной группы 3-фосфоглицерату 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-фосфоглицерату, 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 .

Исходное фосфорилирования фосфоглицератмутазы осуществляется реакцией с 2,3-бисфосфоглицерату, незначительной концентрации которого достаточно для активации фермента .

3.2.4. Дегидратация 2-фосфоглицерату

Следующая реакция - образование Энола с результате дегидратации (отщепление воды) 2-фосфоглицерату - ведет к образованию фосфоенолпирувату (сокращенно ФЭП) и катализируется ферментом энолаза.

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-фосфоглицерату ΔG 0 = -17,6 кДж / моль , а для фосфоенолпирувату ΔG 0 = -61,9 кДж / моль .

3.2.5. Перенос фосфатной группы с ФЭП на АДФ

Последняя реакция гликолиза - перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувату на АДФ - катализируется пируваткиназы в присутствии ионов K + и Mg 2 + или Mn 2 + . Продуктом этой реакции является пируват , который сначала образуется в енольной форме, после чего быстро и неферментативно таутомеризуеться в кетонной форму .

Реакция имеет большую отрицательную смену свободной энергии , главным образом благодаря екзергоничому процесса таутомеризации . Около половины энергии (30,5 кДж / моль), выделяющегося при гидролизе ФЭП (61,9 кДж / моль), используется на субстратное фосфорилирование, остальные (31,5 кДж / моль) служит как движущая сила, толкающая реакцию в сторону образования пирувата и АТФ . Реакция является необратимой за клеточных условий .

4. 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 ↔ фосфоенолпируват + H 2 O	7,5	от 0 до 3,3
Фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ	-31,4	-16,7
Желтым выделены реакции необратимые в реальных условиях клетки

Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:

Суммарное количество энергии, выделяемой 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 2 840 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 НАД Н - отличается у разных живых существ и зависит от условий.

5. 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 .

5.1. Полисахариды

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 фосфоролиза, который осуществляют фермента фосфорилазы крахмала и гликогенфосфорилаза соответственно. Они катализируют атаку фосфорной кислоты на гликозидной α1 → 4 Связь между последним и предпоследним остатками глюкозы с нередукуючого конца. Продуктом реакции является глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазы на глюкозо-6-фосфат, который является промежуточным метаболитом гликолиза. Механизм такого превращения похож на Изомеризацию 3-фосфоглицерату до 2-фосфоглицерат. Фосфоролиза 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 .

5.2. Дисахариды

5.3. 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 , что попадает в организм человека с фруктами и в результате расщепления сахарозы в большинстве тканей, кроме печени , например в мышцах и почках , фосфорилируется гексокиназой в фруктозо-6-фосфата с использованием одной молекулы АТФ . В печени она имеет другой путь превращения: сначала фруктокиназы переносит фосфатную группу на C-1 фруктозы, образованный фруктозо-1-фосфат расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолаза до глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфату. Обе триозы превращаются в глицеральдгед-3-фосфат: первый - под влиянием триозокиназа, второй - под влиянием гликолитического фермента триозофосфатизомеразы .

Набор таких свойств позволяет гексокиназы 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 фосфорилирование. Вследствие этого 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 т.д..

Некоторые из модуляторов активности ФФК-1 влияют также на фермент фруктозо-1 ,6-бисфосфатазу, 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 .

6.3. 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, вследствие чего последняя теряет свою активность. Итак гликолитического расщепления глюкозы в печени замедляется и ее могут использовать другие органы .

7. Гликолиз в раковых клетках

1928 Отто Варбург обнаружил, что в раковых клетках почти всех типов гликолиз и поглощения 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 , т.е. 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 , возникающие вследствие выделения молочной кислоты в межклеточную жидкость . Чем более агрессивная опухоль, тем быстрее в ней происходит гликолиз .

Приспособления 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 у здоровых. При распаде..

Губский Ю.И. Биологическая химия. - С. 191. - Киев-Одесса: Новая книга, 2007. ISBN 978-966-382-017-0 .

Что изучает биохимия? Гликолиз - это серьезный ферментативный процесс распада глюкозы, который протекает в тканях животных и человека без использования кислорода. Именно он рассматривается биохимиками как способ получения молочной кислоты и молекул АТФ.

Определение

Что собой представляет аэробный гликолиз? Биохимия рассматривает этот процесс в качестве единственного процесса, характерного для живых организмов, который поставляет энергию.

Именно помощью такого процесса организм животных и человека способен на протяжении определенного промежутка времени выполнять некоторые физиологически функции в условиях недостаточного количества кислорода.

Если процесс расщепления глюкозы осуществляется с участием кислорода, протекает аэробный гликолиз.

Какова его биохимия? Гликолиз считают первой стадией процесса до воды и углекислоты.

Страницы истории

Термин «гликолиз» был использован Лепиным в конце девятнадцатого века для процесса уменьшения глюкозы в крови, которая была изъята из кровеносной системы. У некоторых микроорганизмов протекают процессы брожения, которые аналогичны гликолизу. Для подобного превращения используется одиннадцать ферментов, причем большая их часть выделяется в гомогенном, высокоочищенном либо кристаллическом виде, их свойства хорошо изучены. Протекает данный процесс в гиалоплазме клетки.

Специфика процесса

Как протекает гликолиз? Биохимия - это наука, в которой данный процесс рассматривается как многостадийная реакция.

Первая ферментативная реакция гликолиза, фосфорилирование, связана с переносом на глюкозу молекулами АТФ ортофосфата. В качестве катализатора в этом процессе выступает фермент гексокиназа.

Получение глюкозо-6-фосфата в данном процессе объясняется высвобождением существенного количества энергии системы, то есть протекает необратимый химический процесс.

Такой фермент, как гексокиназа, выступает катализатором процесса фосфорилирования не только самой D-глюкозы, но и D-маннозы, D-фруктозы. Помимо гексокиназы, в печени есть еще один фермент - глюкокиназа, катализирующий процесс фосфорилирования одной D-глюкозы.

Второй этап

Как объясняет вторую стадию данного процесса современная биохимия? Гликолиз на этом этапе представляет собой переход глюкозо-6-фосфата под воздействием гексозофосфатизомеразы в новое вещество - фруктозо-6-фосфат.

Процесс протекает в двух взаимно обратных направлениях, не требует кофакторов.

Третья стадия

Она связана с фосфорилированием образующегося фруктозо-6-фосфата с помощью молекул АТФ. Ускорителем такого процесса является фермент фосфофруктокиназа. Реакция считается необратимой, она происходит в присутствии катионов магния, считается медленно протекающей стадией этого взаимодействия. Именно она является основой для определения скорости гликолиза.

Фосфофруктокиназа - это один из представителей аллостерических ферментов. Она ингибируется молекулами АТФ, стимулируют ее АМФ и АДФ. В случае диабета, во время голодания, а также во многих других состояниях, при которых в больших количествах расходуются жиры, содержание цитрата в клетках тканей возрастает в несколько раз. В подобных условиях наблюдается существенное торможение полноценной деятельности фосфофруктокиназы цитратом.

Если отношение АТФ к АДФ достигает существенных значений, происходит угнетение фосфофруктокиназы, что способствует замедлению гликолиза.

Как можно увеличить гликолиз? Биохимия предлагает для этого снижать коэффициент интенсивности. Например, в нефункционирующей мышце невысокая активность фосфофруктокиназы, а вот концентрация АТФ возрастает.

При работе мышцы наблюдается значительное использование АТФ, что вызывает повышение уровня фермента, вызывает ускорение процесса гликолиза.

Четвертый этап

Катализатором этой части гликолиза является фермент альдолаза. Благодаря ему происходит обратимое расщепление вещества на две фосфотриозы. В зависимости от значения температуры происходит установление равновесия на разном уровне.

Как поясняет происходящее биохимия? Гликолиз при повышении температуры протекает в сторону прямой реакции, продуктом которой является глицеральдегид-3-фосфата и диоксиацетонфосфат.

Остальные стадии

Пятым этапом считают процесс изомеризации триозофосфатов. Катализатором процесса является фермент триозофосфатизомераза.

Шестая реакция в суммарном виде описывает получение 1,3-дифосфорглицериновой кислоты в присутствии в качестве акцептора водорода фосфата НАД. Именно этот неорганический агент отщепляет водород от глицеральдегда. Получаемая связь непрочная, но она богата энергией, а при расщеплении получают 1,3-дифосфоглицериноваую кислоту.

Седьмая стадия катализируется фосфоглицераткиназой, предполагает передачу энергии фосфатным остатком на АДФ с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты и АТФ.

В восьмой реакции идет внутримолекулярный перенос фосфатной группы, при этом наблюдается превращение 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицерат. Процесс обратимый, поэтому для его осуществления используют катионы магния.

Кофактором фермента на этом этапе выступает 2,3-дифосфоглицериновая кислота.

Девятая реакция предполагает переход 2-фосфоглицериновой кислоты в фосфоенолпируват. Ускорителем этого процесса выступает фермент енолаза, которая активируется катионами магния, а ингибитором в этом случае выступает фторид.

Десятая реакция идет с разрывом связи и переводом энергии фосфатного остатка на АДФ с фосфоенолпировиноградной кислоты.

Одиннадцатая стадия связана с восстановлением пировиноградной кислоты, получением молочной кислоты. Для осуществления этого превращения необходимо участие фермента лактатдегидрогеназы.

Как можно в общем виде записать гликолиз? Реакции, биохимия которых была рассмотрена выше, сводится к гликолитической оксидоредукции, сопровождающейся образованием молекул АТФ.

Значение процесса

Мы рассмотрели, как описывает биохимия гликолиз (реакции). Биологическое значение данного процесса состоит в получении фосфатных соединений, обладающих большим запасом энергии. Если на первом этапе затрачиваются две молекулы АТФ, то этап связан с образованием четырех молекул данного соединения.

Какова его биохимия? Гликолиз и глюконеогенез имеют энергетическую эффективность: на 2 молекулы АТФ приходится 1 молекула глюкозы. Изменение энергии при образовании из глюкозы двух молекул кислоты составляет 210 кДж/моль. 126 кДж уходит в виде тепла, 84 кДж скапливается в фосфатных связях АТФ. Концевая связь обладает значением энергии 42 кДж/моль. Подобными расчетами занимается и биохимия. Гликолиз аэробный и анаэробный имеют коэффициент полезного действия 0,4.

В результате многочисленных экспериментов удалось установить точные значения каждой реакции гликолиза, протекающей в интактных эритроцитах человека. Восемь реакций гликолиза близки к термодинамическому равновесию, три процесса связаны с существенным снижением величины свободной энергии, считаются необратимыми.

Что такое глюконеогенез? Биохимия процесса заключается в расщеплении углевода, протекающем в несколько стадий. Контроль за каждым этапом осуществляется ферментами. Например, в тканях, для которых характерен аэробный метаболизм (ткани сердца, почек), он регулируется изоферментами ЛДГ1 и ЛДГ2. Они ингибируются незначительными количествами пирувата, в результате чего не допускается синтез молочной кислоты, достигается полное окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот.

Чем еще характеризуется анаэробный гликолиз? Биохимия, например, подразумевает включение в процесс иных углеводов.

В результате лабораторных исследований удалось установить, что около 80 % фруктозы, которая попадает в человеческий организм вместе с пищей, подвергается метаболизму в печени. Здесь происходит процесс фосфорилирования ее до фруктозо-6-фосфата, катализатором этого процесса выступает фермент гексокиназа.

Ингибируется этот процесс соединение через несколько стадий превращается в глюкозу, сопровождается отщеплением фосфорной кислоты. Кроме того, возможны и последующие его превращения в другие фосфорсодержащие органические соединения.

Под воздействием АТФ и фосфофруктокиназы из фруктозо-6-фосфата будет получаться фруктозо-1,6-дифосфат.

Затем это вещество метаболизируется по стадиям, характерным для гликолиза. В мышцах и печени есть кетогексокиназа, способная ускорять процесс фосфорилирования фруктозы в ее фосфорсодержащее соединение. Процесс не блокируется глюкозой, а получающийся фруктозо-1-фосфат распадается под воздействием кетозо-1-фосфатальдолазы на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. D-глицеральдегид под воздействием триозокиназы вступает в фосфорилирование, в конечном итоге выделяются молекулы АТФ и получается дигидроксиацетонфосфат.

Врожденные аномалии

Биохимикам удалось выявить некоторые врожденные аномалии, связанные с обменом фруктозы. Данное явление (эссенциальная фруктозурия) связана с биологическим недостатком содержания в организме фермента кетогексокиназы, поэтому все процессы расщепления этого углевода тормозятся глюкозой. Следствием такого нарушения является накапливание в крови фруктозы. Для фруктозы почечный порог низкий, поэтому фруктозурию удается обнаруживать при концентрациях углевода в крови около 0,73 ммоль/л.

Участие в биосинтезе галактозы

Галактоза поступает в организм вместе с пищей, расщепляющейся в пищеварительном тракте до глюкозы и галактозы. Сначала этот углевод превращается в галактозо-1-фосфат, катализатором процесса выступает галактокиназа. Далее происходит превращение в глюкозо-1-фосфат. На этом этапе также образуется уридиндифосфогалактоза и УДФ-глюкоза. Последующие стадии процесса протекают по схеме, аналогичной расщеплению глюкозы.

Помимо этого пути метаболизма галактозы, возможна и вторая схема. Сначала также образуется галактозо-1-фосфат, но последующие этапы связаны с образованием молекул УТФ и глюкозо-1-фосфата.

Среди многочисленных патологических состояний, связанных с углеводным обменом, особое место занимает галактоземия. Это явление связано с рецессивно наследуемым заболеванием, при котором содержание в крови сахара повышается из-за галактозы и достигает 16,6 ммоль/л. При этом практически не происходит изменения содержания в крови глюкозы. Помимо галактозы, в таких случаях накапливается в крови и галактозо-1-фосфат. Дети, у которых выявлена галактоземия, имеют умственную отсталость, а также есть катаракту.

По мере роста нарушения углеводного обмена снижаются, причиной является протекание расщепления галактозы по второму пути. Благодаря тому, что биохимикам удалось выяснить суть происходящего процесса, появилась возможность бороться с проблемами, касающимися неполного расщепления глюкозы в организме.

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.

Гликолиз - это главный процесс катаболизма различных углеводов для многих живых организмов. Именно он позволяет генерировать энергию в виде молекул АТФ в тех клетках, где не происходит фотосинтез. Анаэробный гликолиз протекает при наличии или отсутствии кислорода.

Специфика процесса

Многочисленные исследования химической сути данного процесса продемонстрировали, что у начальных этапов брожения и дыхания есть сходство. Благодаря этому открытию ученые объяснили единство в живом мире. Анаэробный гликолиз происходит после того, как прошел цикл трикарбоновых кислот, завершился перенос свободных электронов. В митохондрии попадает пируват, происходит его окисление до углекислого газа. Это приводит к выделению свободной энергии из гексозы. Ферменты, являющиеся ускорителями гликолитических реакций, во многих клетках находятся в растворимой форме в цитозоле. Ускорители процесса окисления гексоз, происходящего в присутствии кислорода, сконцентрированы в митохондриальных мембранах.

Для расщепления молекулы углевода, включающего шесть атомов углерода на две молекулы, необходимо присутствие десяти активных ферментов. Исследователям удалось выделить их в чистом виде, изучить их физические и химические характеристики.

Стадии процесса

Процесс гликолиза происходит в клетках живых организмов. Он сопровождается образованием пировиноградной кислоты, состоит из нескольких этапов. Для дыхательного распада нужно активировать глюкозу. Происходит подобный процесс при фосфорилировании атома углерода при взаимодействии с АТФ.

глюкоза + АТФ = глюкозо-6-фосфат + АДФ

Для проведения данного химического взаимодействия используют катионы магния и гексокиназу (фермент). Далее происходит изомеризация продукта реакции в фруктозу-6-фосфат. В качестве катализатора применяют фермент фосфоглюкоизомеразу.

Гликолиз глюкозы характеризуется еще одной стадией, в которой участвует АТФ. Присоединение фосфорной кислоты происходит к первому атому углерода во фруктозе. Последующие этапы гликолиза связаны с расцеплением полученного фруктозо-1,6-дифосфата до триоз, образованием ФГА (3-фосфоглицеринового альдегида).

Гликолиз - многостадийный процесс, связанный с выделением энергии. При расщеплении одной молекулы глюкозы получают две молекулы ФГА, поэтому происходит их повтор.

Гликолиз - это процесс, который в суммарном виде представлен уравнением:

C6H12O6 + 2АТФ + 2НАД + 2Фн + 4АДФ → 2ПВК 2НАДН + 2Н+ + 4АТФ + 2АДФ

Регуляция гликолиза

Гликолиз - это важный для живого организма процесс. Он направлен на выполнение двух функций:

• генерация АТФ при расщеплении молекул гексозы;
• транспортировка строительных блоков для последующего процесса синтеза.

Регуляция данного процесса направлена на полное удовлетворение этих потребностей живой клетки. Реакции, в которых катализаторами выступают ферменты, являются необратимыми.

Особое значение в осуществлении регуляторной функции принадлежит фосфофруктокиназе. Данный фермент выполняет регуляторную функцию, характеризует скорость протекания процесса.

Физиологическое значение

Гликолиз можно считать универсальным способом катаболизма глюкозы. Его активно используют про- и эукариотические организмы. Ферменты, являющиеся катализаторами гликолиза, растворяются в воде, накапливаются в цитозоле. Часть клеток и тканей животных могут катаболизировать гексозу только путем гликолиза. Например, подобные способности есть у клеток почечных каналов, нейронов мозга.

В жировой ткани и печени есть некоторые отличия в физиологической роли гликолиза. При пищеварении в жировой ткани и в печени данный процесс является источником субстратов, используемых в синтезе жиров.

Часть тканей растений запасают крахмал в клубнях. Водные растения энергию получают через гликолиз.

В анаэробных условиях происходит превращение пирувата в этанол и лактат. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии.

Гликолиз имеет существенное физиологическое значение в адипоцитах. С его помощью вместо окислительного процесса происходит липогенез, позволяющий снижать окислительный стресс.

Медицинская значимость

По мере накопления лактата, который образуется при анаэробных условиях, развивается в крови лактацидоз. Он приводит к понижению реакции среды крови, что сопровождается резкими нарушениями в метаболизме клеток. Подобный процесс происходит при патологических процессах, связанных с нарушениями снабжения кислородом тканей. Например, при инфаркте миокарда, кровотечениях, легочной эмболии. Обусловлен этот процесс сахарным диабетом, при котором вместо аэробного гликолиза происходит анаэробный процесс.

Учитывая, что инсулин является ускорителем гликолиза, при первом типе диабета наблюдается замедление гликолиза. Именно поэтому те препараты, которые стимулируют ферменты, используемые для данного процесса, выполняют функцию лечения заболевания.

Заключение

Гликолиз - это процесс, который необходим для полноценной жизнедеятельности организмов. При раковых заболеваниях потребление глюкозы увеличивается в десять раз, поэтому именно от гликолиза зависит жизнеспособность опухолевых клеток.

После детального изучения особенностей протекания данного процесса ученым удалось использовать гликолиз не только для питания клеток, но и для лечения некоторых заболеваний.

11. Молочная кислота (лактат). Лактат является метаболическим продуктом анаэробного гликолиза и в нормальных условиях находится в равновесии с его непосредственным предшественником пируватом. Лактат образуется из пирувата в качестве конечного продукта анаэробного гликолиза. Эта окислительно-восстановительная реакция требует восстановленного никотинамидаденин-динуклеотида (NADH) и иона водорода (Н+) и катализируется лактатдегидрогеназой (ЛДГ). Реакция выражается следующим уравнением: Пируват + NADH+ЛДГ H+ *=t Лактат + NAD. Лактат может элиминироваться только путем превращения в пируват, концентрация лактата тесно связана с судьбой пирувата. Печень и почки являются основными органами, потребляющими лактат. При изъятии лактата главным метаболическим путем, используемым этими органами, становится глюконеогенез. Почки осуществляют клиренс лактата в основном через глюконеогенез. Скелетная мускулатура и миокард способны поглощать некоторое количество лактата из циркуляции; значение этого пути клиренса не представляется достаточно ясным. Утилизация лактата скелетной мускулатурой может зависеть от концентрации лактата в крови и от состояния (активного или пассивного) мышцы.

Молочнокислый ацидоз может рассматриваться как нарушение равновесия между скоростью продукции лактата в тканях с активным гликолизом и скоростью его утилизации тканями с активным глюконеогенезом.

12. Гликолиз - это анаэробный процесс. При расчете энергетического эффекта биохимического процесса в анаэробных условиях следует учитывать:

1) затраты АТФ (как правило, в фосфотрансферазных реакциях);

2) образование АТФ в процессах субстратного фосфорилирования.

В первом этапе гликолиза происходит затрата 2 моль АТФ: на фосфорилирование глюкозы и на фосфорилирование глюкозо-6-фосфата. Еще раз заострим внимание на том, что из 1 моль глюкозы образуется 2 моль 3-фосфоглицеринового альдегида, который вступает во второй этап гликолиза.

Во втором этапе гликолиза можно найти две реакции субстратного фосфорилирования, в которых образуется 2 моль АТФ при распаде 1 моль 3-фосфоглицеринового альдегида. Следовательно, при распаде 2 моль 3-фосфоглицеринового альдегида образуется 4 моль АТФ. Суммируя полученное и затраченное количество АТФ, получаем суммарный энергетический эффект гликолиза - 2 моль АТФ .

13. Ключевые ферменты гликолиза.

1. Гексокиназа - это регуляторный фермент гликолиза во внепеченочных клетках. Гексокиназа аллостерически ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа - регуляторный фермент гликолиза в гепатоцитах. Синтез глюкокиназы индуцируется инсулином.

2. Фосфофруктокиназа-1. Это главный ключевой фермент, катализирует реакцию, лимитирующую скорость всего процесса (наиболее медленная реакция). Синтез фермента индуцируется инсулином. Аллостерические активаторы - АМФ, АДФ, фруктозо-2,6- дифосфат. Уровень фруктозо-2,6-дифосфата увеличивается под действием инсулина и понижается под действием глюкагона. Аллостерические ингибиторы - АТФ, цитрат.

3. Пируваткиназа. Фермент активен в нефосфорилированной форме. Глюкагон (в гепатоцитах) и адреналин (в миоцитах) стимулируют фосфорилирование фермента, а значит инактивируют фермент. Инсулин, наоборот, стимулирует дефосфорилирование фермента, а значит активирует фермент. Аллостерический активатор - Фр-1,6-ФФ. Аллостерический ингибитор - АТФ, ацетил КоА. Синтез фермента индуцирует инсулин.

Аллостерическая регуляция скорости гликолиза , зависимая от изменения соотношения АТФ/АДФ, направлена на изменение скорости использования глюкозы непосредственно клетками печени. Глюкоза в клетках печени используется не только для синтеза гликогена и жиров, но также и как источник энергии для синтеза АТФ. Основными потребителями АТФ в гепатоцитах являются процессы трансмембранного переноса веществ, синтез белков, гликогена, жиров, глюконеогенез. От скорости утилизации АТФ в этих процессах зависит скорость его синтеза. АТФ, АДФ и АМФ, а также NAD+ и NADH служат аллостерическими эффекторами некоторых гликолитических ферментов и ферментов глюконеогенеза. В частности, АМФ активирует фосфофруктокиназу и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу. АТФ и NADH ингибируют пируваткиназу, а АДФ активирует пируваткарбоксилазу.

14. 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 является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных и человека.

Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + Н2О + 2820 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

Аэробный гликолиз - процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитрантом цикле;

ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы.

15. Окислительное декарбоксилирование ПВК катализирует пируватдегидрогеназа. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входит несколько структурно связанных ферментных белков и коферментов. ТПФ (Тиаминпирофосфат) катализирует начальную реакцию декарбоксилирования ПВК. Эта реакция идентична катализируемой пируватдекарбоксилазой. Однако в отличие от последней, пируватдегидрогеназа не превращает промежуточный продукт гидроксиэтил-ТПФ в ацетальдегид. Вместо этого гидроксиэтильная группа переносится к следующему ферменту в мультиферментной структуре пируватдегидрогеназного комплекса.

Окислительное декарбоксилирование ПВК является одной из ключевых реакций в обмене углеводов. В результате этой реакции ПВК, образовавшаяся при окислении глюкозы, включается в главный метаболический путь клетки - цикл Кребса, где окисляется до углекислоты и воды с выделением энергии. Таким образом, благодаря реакции окислительного декарбоксилирования ПВК создаются условия для полного окисления углеводов и утилизации всей заключенной в них энергии. Кроме того, образующаяся при действии ПДГ-комплекса активная форма уксусной кислоты служит источником для синтеза многих биологических продуктов: жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов, ацетоновых тел и других.

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) - комплекс трех ферментов, который осуществляет окислительное декарбоксилирование пирувата. Продуктами окисления являются углекислый газ, ацетил-КоА, НАДН.Н+.

Пируватдегидрогеназный комплекс включает в себя 3 фермента, 3 кофактора (простетическая группа, связанная с апоферментом прочно ковалентно), 2 кофермента (простетическая группа, связанная с апоферментом непрочно нековалентно):

Е1 - пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая.

Кофактором является активная форма витамина В1 - тиаминпирофосфат.

Е2 - дигидролипоилацетилтрансфераза.

Кофактором является витаминоподобное вещество - липоевая кислота, которая присоединив 2 атома водорода может превращаться в дигидролипоил.

Коферментом является активная форма пантотеновой кислоты - НS-КоА, она принимает ацетильный остаток от липоевой кислоты.

Е3 - дигидролипоилдегидрогеназа.

Кофактором является флавинадениндинуклеотид (ФАД) - активная форма витамина В2.

Коферментом является активная форма витамина PP - никотинамидадениндинуклеотид (НАД+).

СН3-СО-СООН + НS-КоА + НАД+ => СО2 + СН3-СО~SKoA + НАДН.Н+

Суммарное уравнение

Последовательность реакций, катализируемых ПДК.

16. Энергетическое значение аэробного распада глюкозы.

При аэробном окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ПВК, которые диффундируют в митохондрии и подвергаются окислительному декарбоксилированию с образованием 2 молекул АУК. При этом образуется 2 молекулы НАДН2, которые окисляются в БО, давая 6 АТФ. 2 АУК окисляются в ЦТК, давая 6 НАДН2, 2ФПН2 и 2АТФ, что в сумме даст 24 АТФ. Т.о., в митохондриях получается 24+6=30АТФ.

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.

Жиры синтезируются только при наличии энергии. убстратом для синтеза жиров de novo является глюкоза.

Как известно, попадая в клетку, глюкоза превращается в гликоген, пентозы и окисляется до пировиноградной кислоты. При высоком поступлении глюкоза используется для синтеза гликогена, но этот вариант ограничивается объемом клетки. Поэтому глюкоза "проваливается" в гликолиз и превращается в пируват либо напрямую, либо через пентозофосфатный шунт. Во втором случае образуется НАДФН, который понадобится впоследствии для синтеза жирных кислот.

17. Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими продуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пи-ровиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, гли-церол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот.

У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе).

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только 3 реакции гликолиза (гексокиназная, фосфо-фруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глю-конеогенеза на 3 этапах используются другие ферменты.

Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Первоначально пируват под влиянием

пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата:

Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорили-рования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Первый этап синтеза протекает в митохондриях (рис. 10.6). Пируват-карбоксилаза, которая катализирует эту реакцию, является аллостери-ческим митохондриальным ферментом. В качестве аллостерического активатора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же, в митохондриях, восстанавливается в малат:

Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН/НАД+ относительно велико, в связи с чем внутримитохондриальный оксалоацетат легко восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД+ очень мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-за-висимой малатдегидрогеназы:

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле клетки.

Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат. Фосфо-енолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-бис-фосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фос-фатазы:

18. Цикл Кори - совокупность биохимических ферментативных процессов транспорта лактата из мышц в печень, и дальнейшего синтеза глюкозы из лактата, катализируемое ферментами глюконеогенеза.

При интенсивной мышечной работе, а также в условиях отсутствия или недостаточного числа митохондрий (например, в эритроцитах или мышцах) глюкоза вступает на путь анаэробного гликолиза с образованием лактата. Лактат не может далее окисляться, он накапливается (при его накоплении в мышцах раздражаются чувствительные нервные окончания, что вызывает характерное жжение в мышцах). С током крови лактат поступает в печень. Печень является основным местом скопления ферментов глюконеогенеза (синтез глюкозы из неуглеводных соеднений), и лактат идет на синтез глюкозы.

Реакция превращения лактата в пируват катализируется лактатдегидрогеназой, далее пируват подвергается окислительному декарбоксилированию или может подвергаться брожению.

Цикл Кори

19. В условиях голодания часть белков мышечной ткани распадается до аминокислот, которые далее включаются в процесс катаболизма. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, окса-лоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратногр цикла, так и глюконеогенеза.

Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюкозонеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл): глюкоза в мышцах → пируват в мышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает лактоацидоз.

20. 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 глюконеогенеза. Уменьшение количества углеводов в клетках или снижение сахара в крови является основным стимулом для увеличения скорости глюконеогенеза. Кроме того, уменьшение количества углеводов может стать причиной изменения направления гликолитических или фосфоглюконатных реакций, что способствует превращению дезаминированных аминокислот в углеводы, наряду с глицеролом. Такой гормон, как кортизол, играет особенно важную роль в регуляции процессов глюконеогенеза.