Общий обзор
Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом .
Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2-х молекул АТФ , заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата . На втором этапе происходит НАД -зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода .
Гликолиз - один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд лет назад у первичных прокариотов .
Локализация
В клетках эукариотических организмов десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до ПВК , находятся в цитозоле , все остальные ферменты, имеющие отношение к энергетическому обмену, - в митохондриях и хлоропластах . Поступление глюкозы в клетку осуществляется двумя путями: натрий-зависимый симпорт (преимущественно для энтероцитов и эпителия почечных канальцев) и облегчённая диффузия глюкозы с помощью белков-переносчиков. Работа этих белков-транспортёров контролируется гормонами и, в первую очередь, инсулином . Сильнее всего инсулин стимулирует транспорт глюкозы в мышцах и жировой ткани .
Результат
Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД∙H .
Полное уравнение гликолиза имеет вид:
Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф н = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H 2 O + 2Н + .При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:
Глюкоза + 2АДФ + 2Ф н = 2лактат + 2АТФ + 2H 2 O .Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ.
У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания - окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, - дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.
Путь
Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецифичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы - глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф ):
Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg 2+ , с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза .
Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы.
Печёночный изофермент гексокиназы - глюкокиназа - имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.
В следующей реакции (2 ) ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф ):
Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза .
Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3 ) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ ) на две триозы (4 ).
Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.
Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата :
В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат , причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй (5 ), который и участвует в дальнейших превращениях:
Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД + в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата (6 ):
Далее с 1,3-дифосфоглицерата , содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (реакция 7 ) - образуется молекула АТФ :
Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3 . Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.
Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфоглицерат (8 ):
Енолаза образует фосфоенолпируват (9 ):
И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10 ):
Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.
С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают только реакции 7 и 10 , в которых и происходит к субстратное фосфорилирование АДФ.
Дальнейшее развитие
Окончательная судьба пирувата и НАД∙H , образованных в процессе гликолиза зависит от организма и условий внутри клетки, в особенности от наличия или отсутствия кислорода или других акцепторов электронов.
У анаэробных организмов пируват и НАД∙H далее подвергаются брожению . При молочнокислом брожении, например, у бактерий пируват под действием фермента лактатдегидрогеназы восстанавливается в молочную кислоту. У дрожжей сходным процессом является спиртовое брожение, где конечными продуктами будут этанол и углекислый газ . Известно также маслянокислое и лимоннокислое брожение.
Маслянокислое брожение:
Глюкоза → масляная кислота + 2 CO 2 + 2 H 2 O.
Спиртовое брожение:
Глюкоза → 2 этанол + 2 CO 2 .
Лимоннокислое брожение:
Глюкоза → лимонная кислота + 2 H 2 O.
Брожение имеет важное значение в пищевой промышленности.
У аэробов пируват как правило попадает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а НАД∙H в итоге окисляется кислородом на дыхательной цепи в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования.
Несмотря на то, что метаболизм человека преимущественно аэробный, в интенсивно работающих скелетных мышцах наблюдается анаэробное окисление. В условиях ограниченного доступа кислорода пируват превращается в молочную кислоту, как происходит при молочнокислом брожении у многих микроорганизмов:
ПВК + НАД∙Н + H + → лактат + НАД + .
Боли в мышцах, возникающие через некоторое время после непривычной интенсивной физической нагрузки, связаны с накоплением в них молочной кислоты.
Образование молочной кислоты является тупиковой ветвью метаболизма, но не является конечным продуктом обмена веществ. Под действием лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется снова, образуя пируват, который и участвует в дальнейших превращениях.
Регуляция гликолиза
Различают местную и общую регуляцию.
Местная регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов под действием различных метаболитов внутри клетки.
Регуляция гликолиза в целом, сразу для всего организма, происходит под действием гормонов , которые, влияя через молекулы вторичных посредников, изменяют внутриклеточный метаболизм.
Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину. Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными ингибиторами гликолиза.
Инсулин стимулирует гликолиз через:
- активацию гексокиназной реакции;
- стимуляцию фосфофруктокиназы;
- стимуляцию пируваткиназы.
Также на гликолиз влияют и другие гормоны. Например, соматотропин ингибирует ферменты гликолиза, а тиреоидные гормоны являются стимуляторами.
Регуляция гликолиза осуществляется через несколько ключевых этапов. Реакции, катализируемые гексокиназой (1 ), фосфофруктокиназой (3 ) и пируваткиназой (10 ) отличаются существенным уменьшением свободной энергии и являются практически необратимыми, что позволяет им быть эффективными точками регуляции гликолиза.
Регуляция гексокиназы
Гексокиназа ингибируется продуктом реакции - глюкозо-6-фосфатом, который аллостерически связывается с ферментом, изменяя его активность.
По причине того, что основная масса Г-6-Ф в клетке производится путём расщепления гликогена , гексокиназная реакция, по сути, для протекания гликолиза не является необходимой, и фосфорилирования глюкозы в регуляции гликолиза исключительной важности не имеет. Гексокиназная реакция является важным этапом регуляции концентрации глюкозы в крови и в клетке.
При фосфорилировании глюкоза теряет способность транспортироваться через мембрану молекулами-переносчиками, что создаёт условия для накопления её в клетке. Ингибирование гексокиназы Г-6-Ф ограничивает поступление глюкозы в клетку, предотвращая её чрезмерное накопление.
Глюкокиназа (IV изотип гексокиназы) печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом, и клетки печени продолжают накапливать глюкозу даже при высоком содержании Г-6-Ф, из которого в дальнейшем синтезируется гликоген. По сравнению с другими изотипами глюкокиназа отличается высоким значением константы Михаэлиса , то есть на полную мощность фермент работает только в условиях высокой концентрации глюкозы, которая бывает почти всегда после приёма пищи.
Глюкозо-6-фосфат может превращаться обратно в глюкозу при действии глюкозо-6-фосфатазы. Ферменты глюкокиназа и глюкозо-6-фосфатаза участвуют в поддержании нормальной концентрации глюкозы в крови.
Регуляция фосфофруктокиназы
Интенсивность протекания фосфофруктокиназной реакции решающим образом сказывается на всей пропускной способности гликолиза, а стимуляция фосфофруктокиназы считается наиболее важным этапом регуляции.
Фосфофруктокиназа (ФФК) - это тетрамерный фермент, существующий поочерёдно в двух конформационных состояниях (R и T), которые находятся в равновесии и попеременно переходят из одного в другое. АТФ является одновременно и субстратом, и аллостерическим ингибитором ФФК.
В каждой из субъединиц ФФК имеется по два центра связывания АТФ: субстратный сайт и сайт ингибирования. Субстратный сайт одинаково способен присоединять АТФ при любой конформации тетрамера. В то время как сайт ингибирования связывает АТФ исключительно, когда фермент находится в конформационном состоянии T. Другим субстратом ФФК является фруктозо-6-фосфат, который присоединяется к ферменту предпочтительно в R-состоянии. При высокой концентрации АТФ сайт ингибирования занимается, переходы между конформациями фермента становятся невозможными, и большинство молекул фермента оказываются стабилизированными в T-состоянии, неспособном присоединить Ф-6-Ф. Однако ингибирование фосфофруктокиназы АТФ подавляется АМФ, который присоединяется к R-конформациям фермента, стабилизируя таким образом состояние фермента для связывания Ф-6-Ф.
Наиболее важным же аллостерическим регулятором гликолиза и глюконеогенеза является фруктозо-2,6-бифосфат , который не является промежуточным звеном этих циклов. Фруктозо-2,6-бифосфат аллостерически активирует фосфофруктокиназу.
Синтез фруктозо-2,6-бифосфата катализируется особым бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2/фруктозо-2,6-бифосфатазой (ФФК-2/Ф-2,6-БФаза). В нефосфорилированной форме белок известен как фосфофруктокиназа-2 и имеет каталитическую активность по отношению к фруктозо-6-фосфату, синтезируя фруктозо-2-6-бифосфат. В результате чего значительно стимулируется активность ФФК и сильно ингибируется активность фруктозо-1,6-бифосфатазы. То есть при условии активности ФФК-2 равновесие этой реакции между гликолизом и глюконеогенезом смещается в сторону первого - синтезируется фруктозо-1,6-бифосфат.
В фосфорилированном виде бифункциональный фермент не обладает киназной активностью, а наоборот в его молекуле активируется сайт, который гидролизует Ф2,6БФ на Ф6Ф и неорганический фосфат. Метаболический эффект фосфорилирования бифункционального фермента состоит в том, что аллостерическая стимуляция ФФК прекращается, аллостерическое ингибирование Ф-1,6-БФазы ликвидируется и равновесие смещается в сторону глюконеогенеза. Продуцируется Ф6Ф и затем - глюкоза.
Взаимопревращения бифункционального фермента осуществляются цАМФ-зависимой протеинкиназой (ПК), которая в свою очередь регулируется циркулирующими в крови пептидными гормонами.
Когда в крови снижается концентрация глюкозы, тормозится также и образование инсулина , а выделение глюкагона напротив стимулируется, и его концентрация в крови резко повышается. Глюкагон (и другие контринсулярные гормоны) связываются с рецепторами плазматической мембраны клеток печени, вызывая активацию мембранной аденилатциклазы . Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в циклический АМФ. цАМФ связывается с регуляторной субъединицей протеинкиназы, вызывая высвобождение и активизацию её каталитических субъединиц, которые фосфорилирует ряд ферментов, включая и бифункциональную ФФК-2/Ф-2,6-БФазу. При этом в печени прекращается потребление глюкозы и активизируются глюконеогенез и гликогенолиз , восстанавливая нормогликемию.
Пируваткиназа
Следующим шагом, где осуществляется регуляция гликолиза, является последняя реакция - этап действия пируваткиназы. Для пируваткиназы также описан ряд изоферментов, имеющих особенности регуляции.
Печёночная пируваткиназа (L-тип) регулируется при фосфорилировании, аллстерическими эффекторами и путём регуляции экспрессии генов. Фермент ингибируется АТФ и ацетил-КоА и активируется фруктозо-1,6-бифосфатом. Ингибирование пируваткиназы АТФ происходит подобно действию АТФ на ФФК. Связывание АТФ с сайтом ингибирования фермента уменьшает его сродство к фосфоенолпирувату. Печёночная пируваткиназа фосфорилируется и ингибируется протеинкиназой, и таким образом также находится под гормональным контролем. Кроме того, активность печёночной пируваткиназы регулируется и количественно, то есть изменением уровня его синтеза. Это медленная, долговременная регуляция. Увеличение в рационе углеводов стимулирует экспрессию генов, кодирующих пируваткиназу, в результате уровень фермента в клетке повышается.
М-тип пируваткиназы , найденный в головном мозге, мышцах и других глюкозо-потребных тканях не регулируется протеинкиназой. Это принципиально в том, что метаболизм этих тканей определяется только внутренними потребностями и не зависит от уровня глюкозы в крови.
Мышечная пируваткиназа не подвержена внешним влияниям, таким как понижение уровня глюкозы в крови или выброс гормонов. Внеклеточные условия, которые приводят к фосфорилированию и ингибированию печёночного изофермента, не изменяют активность пируваткиназы М-типа. То есть интенсивность гликолиза в поперечнополосатой мускулатуре определяется только условиями внутри клетки и не зависит от общей регуляции.
Значение
Гликолиз - катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров . Пируват также может быть использован для синтеза аланина , аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.
См. также
Ссылки
- Гликолиз (англ.)
В клетках глюкоза может превращаться в жирные кислоты, аминокислоты, гликоген и окисляться в различных катаболических путях.
Окисление глюкозы называют гликолизом . Глюкоза может окисляться до лактата и до пирувата. В аэробных условиях главным продуктом является пируват, такой путь называется аэробным гликолизом . При недостатке кислорода преобладает продукт - лактат. Этот путь окисления называется анаэробным гликолизом .
Процесс аэробного распада глюкозы можно разделить на три части: специфические для глюкоза превращения, завершающиеся образованием пирувата (аэробный гликолиз); общий путь катаболизма (окислительное декарбоксилирование и ЦЛК); дыхательная цепь.
В результате этих процессов глюкоза распадается до CO 2 и H 2 O, а освобождающаяся энергия используется для синтеза АТФ.
Ферментативные реакции.
Распад глюкозы до пирувата также можно разделить на два этапа. Первый этап (глюкоза глицеральдегидфосфат) требует энергии в форме АТФ (2 АТФ).
Е 1 - гексокиназа или глюкокиназа
Е 2 - глюкозофосфатизомераза
Е 3 - фосфофруктокиназа
Е 4 - фруктозодифосфатальдолаза
Е 5 - триозфосфатизомераза
Второй этап (глицеральдегид пируват) протекает с выходом энергии в виде АТФ и НАДН (4 АТФ и 2 НАДН).
Е 6 - глицеральдегид-3-фофатдегидрогеназа
Е 7 - фосфоглицераткиназа
Е 8 - фосфоглицератфосфомутаза
Е 9 - енолгидратаза
Е 10 - прируваткиназа
Особенности ферментов гликолиза.
На пути гликолиза три реакции являются необратимыми (реакция 1 -глюкокиназная, реакция 3 - фофофруктокиназная, реакция 10 -пируваткиназная ). Они катализируются регуляторными ферментами и определяют скорость всего процесса гликолиза. Кроме того, именно эти реакции отличаются от реакций обратного пути - синтеза глюкозы (глюконеогенеза ).
Гексокиназа и глюкокиназа
Глюкокиназная реакция - первая АТФ-зависимая реакция гликолиза. Она катализируется тканеспецифическими ферментами - гексокиназами. У человека известно 4 изомера гексокиназ (типы I - IV). Изофермент IV типа - глюкокиназа. Глюкокиназа находится только в печени и имеет высокое значение К м к глюкозе. Это приводит к тому, что фермент насыщается субстратом лишь при очень высоких концентрациях глюкозы. Гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы при любых (в том числе низких) концентрациях глюкозы и ингибируется продуктом глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом. При увеличении концентрации глюкозы после приема пищи увеличивается скорость глюкокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфат не проходит через клеточные мембраны и задерживается в клетке, поэтому больше глюкозы задерживается в печени. Таким образом, глюкокиназа является буфером глюкозы в крови. В тоже время, в тканях, энергетический обмен которых зависит от глюкозы, локализован изофермент с низким значением К м.
Глюкозофосфатизомераза
Фермент имеет почти равное значение К м для глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Этот фермент по-другому называют гексозофосфатизомераза.
Фосфофруктокиназа
Этот фермент катализирует только прямую реакцию, т.е. эта реакция гликолиза является необратимой и определяет скорость всего процесса.
Фруктозодифосфатальдолаза катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.
Триофосфатизомераза катализирует равновесную реакцию, и равновесие смещается в сторону гликолиза или глюконеогенеза по принципу действия масс.
Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.
Фосфоглицераткиназа катализирует обратимую реакцию (гликолиза и глюконеогенеза). Эта реакция имеет большое значение в эритроцитах, т.к. образующийся 1,3-дифосфоглицерат под действием фермента дифосфоглицератмутазы превращается в 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) - регулятор сродства Hb к кислороду.
Фосфоглицератфосфомутаза и енолгидратаза катализируют превращение относительно низкоэнергетической связи в 3-фосфоглицерате в высокоэнергетическую форму, а затем в АТФ.
Пируваткиназа - регуляторный фермент, который катализирует необратимую реакцию, в которой высокоэнергетический фосфат фосфоенолпирувата превращается в АТФ.
Пируват далее окисляется в митохондриях. Распад глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, поэтому существует специальный переносчик пирувата в митохондрии по механизму симпорта с Н + . Образующийся НАДН также должен быть транспортирован в митоходрии для окисления в цепи переноса электронов.
ГЛИКОЛИЗ (греч, glykys сладкий + lysis разрушение, распад) - сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях животных и человека без потребления кислорода и приводящий к образованию молочной кислоты и АТФ.
C 6 H 12 O 6 + 2АДФ + 2Ф неорг. -> 2CH 3 CHOHCOOH + 2АТФ + 2H 2 O.
Именно благодаря Г. организм человека и животных может осуществлять ряд физиол, функций в условиях недостаточности кислорода.
В тех случаях, когда Г. протекает на воздухе или в атмосфере кислорода, говорят об аэробном Г. В анаэробных условиях Г.- единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. В аэробных условиях Г. является первой стадией окислительного превращения глюкозы и других углеводов до конечных продуктов этого процесса - углекислоты и воды. Процессами, аналогичными Г., у растений и микроорганизмов являются различные виды брожения (см.). Впервые термин «гликолиз» был предложен Лепином (Lepine) в 1890 г.
Последовательность реакций в процессе Г., также как и их промежуточные продукты, хорошо изучены. Реакции Г. катализируются одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделены в гомогенном, кристаллическом или высоко очищенном виде и свойства которых тщательно изучены.
Наиболее интенсивен Г. в скелетных мышцах, в печени, сердце, мозге и других органах. В клетке Г. протекает в гиалоплазме.
Первой ферментативной реакцией (см. схему), открывающей цепь реакций Г., является реакция взаимодействия D-глюкозы с АТФ (2), приводящая к образованию глюкозо-6-фосфата и обеспечивающая возможность дальнейшего превращения глюкозы в процессе Г. Реакция катализируется гексокиназой (см.). Эта реакция сопровождается выделением значительного количества энергии и поэтому практически необратима. В скелетных мышцах и печени глюкозо-6-фосфат в больших количествах образуется также при катаболизме гликогена, т. е. при гликогенолизе.
Второй реакцией Г. (схема, реакция 2) является изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат, катализируемая глюкозофосфатизомеразой, не нуждающейся в присутствии каких-либо кофакторов. Образующая смесь двух гексозомонофосфатов, состоящая приблизительно на 80% из глюкозо-6-фос-фата и на 20% из фруктозо-6-фосфата с примесью нек-рого количества других фосфомоноэфиров, носит название эфира Эмбдена. Такая же смесь, но состоящая из глюкозо-6-фосфата почти наполовину, называется эфиром Робисона.
Фруктозо-6-фосфат, далее в фосфофруктокиназной реакции (схема, реакция 3) за счет АТФ фосфорилируется во фруктозо-1,6-дифосфат. Фруктозодифосфат является специфическим субстратом именно для Г., тогда как предыдущие реакции характерны не только для Г., но и для окислительного распада углеводов. Фосфофруктокиназа - регуляторный фермент, имеющий на молекуле 7, а по данным некоторых авторов, 12 центров связывания субстратов, кофакторов и ингибиторов. Фермент активируется ионами двухвалентных металлов, неорганическим фосфатом, АДФ, АМФ, циклическим 3",5"-АМФ. Активность фермента также повышается в присутствии фруктозо-6-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата. Ингибируют фермент АТФ и цитрат.
Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, является наиболее медленно текущей реакцией Г., определяющей скорость всего процесса. Главными факторами в клетке, контролирующими фосфофруктокиназу, являются относительные концентрации АТФ и АДФ. Когда величина отношения АТФ/АДФ + Ф неорг. значительна, что достигается в процессе окислительного фосфорилирования (см.), происходит угнетение фосфофруктокиназы, и Г. замедляется. При снижении величины отношения АТФ/АДФ + Ф неорг. интенсивность Г. повышается. В неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низка, что объясняется высокой концентрацией АТФ (см. Аденозинтрифосфорная кислота). В процессе работы, когда происходит интенсивное потребление АТФ, активность фосфофруктокиназы увеличивается, что приводит к интенсификации Г., а следовательно, и к усиленному образованию АТФ. При диабете, голодании и других условиях, вызывающих переключение энергетического обмена на использование жиров, содержание цитрата в клетке может возрасти в несколько раз. Величина торможения фосфофруктокиназы цитратом достигает при этом 70-80%.
Следующий этап Г. катализирует фруктозодифосфатальдолаза (схема, реакция 4). Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы: диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Под влиянием триозофосфатизомеразы (схема, реакция 5) происходит взаимопревращение, фосфотриоз. Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону образования диоксиацетонфосфата: на 96% диоксиацетонфосфата приходится всего 4% глицеральдегид-3-фосфата, но именно он и участвует в дальнейших превращениях в процессе Г. Благодаря высокой активности триозофосфатизомеразы преимущественное образование диоксиацетонфосфата не лимитирует скорости Г. в целом. Образованием глицеральдегид-3-фосфата (3-фосфоглицеринового альдегида) заканчивается первая стадия Г.
Вторая стадия Г. является общим путем превращения всех углеводов и рассматривается как наиболее сложная и важная часть процесса, приводящая к образованию АТФ. Центральной реакцией Г. является реакция гликолитической оксидоредукции, сопряженной с фосфорилированием,- реакция окисления 3-фосфоглицеринового альдегида (схема, реакция 6), катализируемая глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Этот фермент состоит из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых представляет собой полипептидную цепь с 330 аминокислотными остатками. Каждая субъединица несет одну молекулу НАД+ и 4 свободные SH-группы. В ходе реакции, идущей в присутствии неорганического фосфата, НАД+ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. При восстановлении НАД+ происходит связывание глицеральдегид-3-фос-фата с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь, богатая энергией, непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-дисфосфоглицериновая к-та (1,3-дифосфоглицерат). Последующая реакция (схема, реакция 7) приводит к передаче богатого энергией фосфатного остатка на молекулу АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой к-ты (3-фосфоглицерата). Для реакции, катализируемой фосфоглицераткиназой, необходимы ионы двухвалентных металлов: Mg 2+ , Mn 2+ или Ca 2+ . Далее (схема, реакция 8) 3-фосфоглицериновая к-та превращается в 2-фосфоглицериновую к-ту (2-фосфоглицерат). Реакцию катализирует фосфоглицерат-фосфомутаза в присутствии двух кофакторов: иона Mg 2+ и 2,3-дифосфоглицериновой к-ты. Следующий этап Г.- образование фосфоенолпирувата, богатого энергией предшественника АТФ (схема, реакция 9). Превращение 2-фосфоглицериновой к-ты (2-фосфоглицерата) в фосфоенолпируват осуществляется в результате реакции дегидратации, катализируемой фосфопируват-гидратазой. Фермент, катализирующий эту реакцию, нуждается в Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ или Cd 2+ , антагонистами которых являются ионы Ca 2+ или Sr 2+ . Реакцию между фосфоенолпируватом и АДФ (схема, реакция 10) с образованием пировиноградной к-ты (пирувата) и АТФ катализирует пируваткиназа, требующая для проявления своей активности ионов Mg 2+ или Mn 2+ и K + ; Ca 2+ выступает как конкурентный антагонист этих ионов. Для максимальной активности пируваткиназа нуждается также в присутствии одновалентных катионов K + , Rb + или Cs + , антагонистами которых являются катионы Na + и Li + . Обратимое восстановление пирувата в молочную к-ту (лактат) за счет восстановленного НАД + (НАДН) является конечным этапом Г. (схема, реакция 11). Реакцию катализирует лактатдегидрогеназа (см.).
Благодаря трем необратимым реакциям - гексокиназной, фосфофруктокиназной и пируваткиназной Г. сам по себе является необратимым процессом (его равновесие сдвинуто в сторону образования молочной к-ты). На I стадии Г. затрачиваются две молекулы АТФ, на II стадии образуются четыре молекулы АТФ. Т. о., энергетическая эффективность Г. (всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы) сравнительно низка. Тем не менее роль Г. велика, т. к. только благодаря ему организм может осуществлять ряд физиол, функций в условиях недостаточного снабжения тканей и органов кислородом. Такие условия создаются, напр., в энергично работающей скелетной мышце. Присутствие кислорода тормозит Г. (явление, называемое эффектом Пастера - см. Пастера эффект). В сердечной мышце в процессах образования энергии гликолитический путь распада углеводов занимает небольшое место. Активность ферментов Г. в сердце значительно ниже, чем в скелетных мышцах. Реальная скорость Г. меняется в зависимости от снабжения сердечной мышцы кислородом и интенсивности в ней окислительных процессов. Но даже при наиболее оптимальных условиях снабжения кислородом в мышце сердца всегда идет Г. Субстраты гликолитических реакций (фосфорилированные сахара, пируват, молочная к-та) используются сердечной мышцей в процессах пластического обмена веществ и в цикле Трикарбоновых к-т (см. Трикарбоновых кислот цикл) в качестве субстратов окисления. Большую роль Г. приобретает в сердце в условиях дефицита кислорода. Бурный аэробный Г. происходит в опухолях, где он является основным источником энергии. Опухолевые ткани характеризуются отсутствием эффекта Пастера. В них регулирующая роль фосфофруктокиназы утрачивается.
Нормальное течение Г. возможно только в том случае, если в ткани присутствуют АДФ, субстраты для фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакций, а также НАД и неорганический фосфат, необходимые для реакции гликолитической оксидоредукции (угнетение гликолитической оксидоредукции в сердечной мышце, обусловленное уменьшением содержания НАД, наблюдалось в условиях экспериментального миокардита). Основной, лимитирующей скорость Г. реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой (см. схему, реакция 3). Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим Г., после фосфофруктокиназной реакции является гексокиназная реакция (см. схему, реакция 1). Широкий изоферментный спектр этого фермента обусловливает возможность тонкой регуляции Г. на его начальном, пусковом этапе. Динамичный характер связи гексокиназы с митохондриями и микросомами, а также изменения свойств этого фермента при взаимодействии с субклеточными структурами делают механизм регуляции Г. очень чувствительным.
Отсутствие регулирующей роли фосфофруктокиназы и крайне высокая активность гексокиназы превращают злокачественную опухоль в мощный насос, непрерывно извлекающий глюкозу из организма. При этом интенсивность Г. такова, что перепад между концентрацией глюкозы в артериальной крови и ткани опухоли достигает 60-80 мг% (артериальная кровь) против нуля (опухолевая ткань).
В норме контроль Г. осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами (см. Лактатдегидрогеназа), которые характеризуются специфической локализацией в органах и тканях. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек, эритроциты) преобладают ЛДГ-1 и ЛДГ-2. Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной к-ты и способствует более полному окислению пирувата в цикле Трикарбоновых к-т. В тканях человека, в значительной степени зависимых от энергии, образующейся в процессе Г. (скелетные мышцы), главными изоферментами ЛДГ являются ЛДГ-4 и ЛДГ-5. Активность ЛДГ-5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ-1. Преобладание изоферментов ЛДГ-4 и ЛДГ-5 обусловливает интенсивный анаэробный Г. с быстрым превращением пирувата в молочную к-ту. Заметное увеличение относительного содержания ЛДГ-5 было отмечено при адаптации организмов и клеток в культурах к гипоксии. Во многих тканях человека (ткани селезенки, поджелудочной и щитовидной желез, надпочечников, лимф, узлов) преобладает изофермент ЛДГ-3. В тканях эмбриона и плода человека присутствуют все 5 изо-ферментов лактатдегидрогеназы, среди которых преобладает ЛДГ-3. Вскоре после рождения у ребенка картина распределения изоферментов в органах и тканях становится такой же, как и у взрослого человека. Изменение изоферментного спектра в эмбриогенезе особенно выражено в скелетных мышцах. При различных миопатиях (см.) наблюдается аномальное распределение изоферментов ЛДГ: увеличение одних и уменьшение или даже полное исчезновение других. При прогрессирующей мышечной дистрофии (болезнь Дюшенна) преобладают изоферменты ЛДГ-1, ЛДГ-2 и ЛДГ-3. При других формах мышечной дистрофии (миотоническая дистрофия, дерматомиозит, болезнь Верднига - Гоффманна) характерно уменьшение или даже отсутствие ЛДГ-5 в скелетных мышцах, что коррелирует со сниженным образованием молочной к-ты у больных этими формами миопатий после физ. работы. При ряде патол, состояний благодаря увеличению проницаемости клеточных мембран изо-ферменты лактатдегидрогеназы в избыточном количестве поступают в кровь. Активность лактатдегидрогеназы и характер распределения ее изоферментов в сыворотке крови специфически изменяются при инфаркте миокарда (см.), заболеваниях печени и желчевыводящих путей, ревматизме (см.). В клинике для дифференциальной диагностики этих заболеваний применяют простые методы определения относительного распределения изоферментов лактатдегидрогеназы в сыворотке крови, основанные на их различной электрофоретической подвижности.
В организме человека и животных существуют ферментативные механизмы, обеспечивающие протекание Г. в обратном направлении, т. е. синтез глюкозы, а также гликогена из молочной к-ты. Этот процесс носит название глюконеогенеза; он интенсивно протекает в печени, куда в больших количествах током крови доставляется молочная к-та. Энергия для осуществления этого процесса образуется также в печени в результате полного окисления нек-рой части (ок. 15%) молочной к-ты. Предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла Трикарбоновых к-т, а также так наз. гликогенные аминокислоты.
Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций Г. Три реакции Г.- гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная - необратимы, поэтому глюконеогенез идет в обход этих реакций.
Первую реакцию глюконеогенеза - превращение молочной к-ты в пировиноградную - катализирует лактатдегидрогеназа. Синтез фосфоенолпирувата из пирувата осуществляется в несколько этапов. Первый этап локализуется в митохондриях.
Пируват под влиянием пируваткарбоксилазы (КФ 6.4.1.1), активной только в присутствии ацетилкофермента А, карбоксилируется при участии CO 2 с образованием оксалоацетата. В реакции участвует АТФ, поэтому продуктами реакции наряду с оксалоацетатом являются АДФ и ортофосфат:
Оксалоацетат в результате декарбоксилировании и фосфорилирования под влиянием фосфопируваткарбоксилазы (КФ 4.1.1.32) превращается в фосфоенол пируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат или инозинтрифосфат:
Фосфопируваткарбоксилаза присутствует как в гиалоплазме, так и в митохондриях, но распределение фермента у человека и животных различно. У морских свинок, кроликов, овец, коров и у человека фосфопируваткарооксилаза присутствует в обеих фракциях. В эмбриональной печени крыс и морских свинок, не способной к глюконеогенезу, присутствует только митохондриальный фермент. В гиалоплазме активность фосфопируваткарбоксилазы появляется только в постнатальный период; одновременно печень становится способной к глюконеогенезу.
Поскольку в глюконеогенезе участвует фосфопируваткарбоксилаза превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит именно в гиалоплазме. Оксалоацетат, образовавшийся в митохондриях, не может перейти в гиалоплазму, т. к. мембрана митохондрий для него непроницаема. В митохондриях оксалоацетат восстанавливается в яблочную к-ту (малат), к-рая способна диффундировать из митохондрий в гиалоплаз-му, где и окисляется с образованием оксалоацетата, который, в свою очередь, превращается в фосфоенол пируват.
Последующие реакции глюконеогенеза, катализируемые ферментами Г., приводят к образованию фруктозо-1 ,6-дифосфата. Превращение фруктозо-1 ,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат, а затем и глюкозо-6-фосфата в глюкозу катализируют специфические фосфатазы, гидролитически отщепляющие неорганический фосфат.
При глюконеогенезе фруктозо-1,6-дифосфатаза (гексозодифосфатаза; КФ 3.1.3.11) катализирует ключевую реакцию D-фруктозо-1,6-дифосфат + H 2 O -> D-фруктозо-б-фосфат + ортофосфат) и соответственно действие, к-рое оказывает на нее АТФ и АМФ, противоположно их действию на фосфофруктокиназу (см. выше): гексозодифосфатаза активируется под влиянием АТФ и ингибируется АМФ. Когда величина отношения АТФ/АДФ низка, в клетке происходит расщепление глюкозы, когда эта величина высока - расщепление глюкозы прекращается. В аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, из клетки удаляется неорганический фосфат й АДФ и накапливается АТФ, что приводит к подавлению Г. и стимуляции глюконеогенеза. Пируваткарбоксилаза также чувствительна к величине отношения АТФ/АДФ, т. к. ингибируется АДФ. Ацетил-КоА активирует пируваткарбоксилазу.
В регуляции Г. и глюконеогенеза большую роль играет инсулин (см.). При недостаточности его происходит повышение концентрации глюкозы в крови (гипергликемия), избыточное выведение глюкозы с мочой (глюкозурия) и уменьшение содержания гликогена в печени. При этом мышцы утрачивают способность использовать в процессе Г. глюкозу крови. В печени при общем снижении интенсивности биосинтетических процессов (биосинтеза белков, биосинтеза жирных к-т из глюкозы) наблюдается усиленный синтез ферментов глюконеогенеза. При введении инсулина больным диабетом все перечисленные метаболические нарушения исчезают: нормализуется проницаемость для глюкозы мембран мышечных клеток, восстанавливается соотношение между Г. и глюконеогенезом. Инсулин контролирует эти процессы на генетическом уровне как регулятор синтеза ферментов. Он является индуктором образования ключевых ферментов Г.: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Одновременно инсулин действует как репрессор синтеза ферментов глюконеогенеза.
Клин, признаки преобладания Г. над аэробной фазой распада углеводов наблюдаются чаще всего при гипоксических состояниях, обусловленных различными нарушениями кровообращения или дыхания, высотной болезнью, анемией, понижением активности системы тканевых окислительных ферментов при некоторых инфекциях и интоксикациях, гипо- и авитаминозами, в результате относительной гипоксии при чрезмерной мышечной работе. При усилении Г. происходит накопление пирувата и лактата с соответствующим закислением тканей, изменением кислотно-щелочного равновесия, уменьшением щелочных резервов. У больных сахарным диабетом активация процессов Г. и недостаточный ресинтез лактата в гликоген печени также нередко приводят к увеличению содержания в крови лактата и пирувата; в этих случаях ацидоз может достигать высокой степени с развитием диабетической молочнокислой комы. Торможение ресинтеза гликогена из лактата и пирувата, образовавшихся в результате Г., наблюдается при поражениях паренхимы печени (поздние стадии гепатита, цирроз печени и т. п.), поэтому увеличение содержания в сыворотке крови лактата и пирувата может служить показателем нарушения функции печени.
Высокая интенсивность Г. в опухолевых тканях используется для определения чувствительности опухолей к нек-рым противоопухолевым препаратам: подавление Г. в срезах опухоли под влиянием исследуемого химиопрепарата свидетельствует о чувствительности к нему данной опухоли.
Библиография: Дэгли С. и Никольсон Д. Е. Метаболические пути, пер. с англ., М., 1973, библиогр.; Л e н и н д-жер А. Биохимия, пер. с англ., М., 1976; Проблемы медицинской химии, под ред. В. С. Шапота и Э. Г. Ларского, М., 1973, библиогр.; УилкинсонДж. Изофер-менты, пер. с англ., М., 1968.
Г. А. Соловьева, Г. К. Алексеев.
Глюкоза + 2 АДФ + 2 НАД + + 2 H 3 PO 4 2 Пируват + 2АТФ + 2 НАДН + 2 Н +
Челночные механизмы.
Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называющихся челночными. Суть этих механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД + , и вновь переходит в цитозоль. Самая активная малат-аспартатная система, действующая в митохондриях печени, почек и сердца. На каждую пару электронов цитозольной НАДН, переданную на кислород по этой системе, образуется 3 молекулы АТФ.
В скелетных мышцах и мозге перенос восстановительных эквивалентов от цитозольной НАДН осуществляет глицеролфосфатная система. При этом восстановительные эквиваленты передаются в цепь переноса электронов через комплекс II, и поэтому синтезируется только 2 молекулы АТФ.
Выход атф при аэробном гликолизе.
Основное физиологическое значение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ.
В наибольшей зависимости от аэробного гликолиза находится мозг. Он расходует 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% кислорода потребляется мозгом. Поэтому недостаток глюкозы или кислорода проявляется, прежде всего, симптомами со стороны центральной нервной системы - головокружением, потерей сознания, судорогами.
Анаэробный гликолиз.
При аэробных условиях продуктом гликолиза в тканях является пируват, а НАДН, образовавшийся в ходе окисления, реокисляется за счет молекулярного кислорода. В анаэробных условиях, т. е. при недостатке кислорода в тканях, например в напряженно работающих скелетных мышцах, образовавшийся НАДН реокисляется не за счет кислорода, а за счет пирувата, восстанавливающегося при этом в лактат (молочную кислоту). Восстановление пирувата до лактата катализирует изофермент лактатдегидрогеназа .
Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов - М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.
Изомерные формы ЛДГ 1 и ЛДГ 2 обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ 3 - в поджелудочной железе, ЛДГ 4 и ЛДГ 5 в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ 5 быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ 1 катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.
Это главный путь утилизации глюкозы- важнейший физиологический процесс, осуществляющийся в цитоплазме практически всех живых, как прокариотических, так и эукараотических, клеток. Гликолиз - это анаэробный (в отсутствие кислорода) процесс расщепления углеводов с освобождением энергии. В растениях в результате гликолиза образуется пируват , молекулы которого далее окисляются до двуокиси углерода и воды в цикле Кребса и электроннотранспортной цепи.
Конечные продукты, преимущественно: лактат в анаэробных условиях, CO 2 и H 2 O в аэробных.
Минимальные потребности в глюкозе имеют все ткани, но у некоторых из них (например, тканей мозга, эритроцит ов) эти потребности весьма значительны. 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).
Уже на ранних этапах изучения метаболизма углеводов было установлено, что процесс брожения в дрожжах во многом сходен с распадом гликоген а в мышце. Исследования гликолитического пути проводили именно на этих двух системах.
При изучении биохимических изменений в ходе мышечного сокращения было установлено, что при функционировании мышцы в анаэробной (бескислородной) среде происходит исчезновение гликоген а и появление пируват а и лактат а в качестве главных конечных продуктов. Если затем обеспечить поступление кислорода, наблюдается "аэробное восстановление": образуется гликоген, и исчезают пируват и лактат. При работе мышцы в аэробных условиях накопления лактата не происходит, а пируват окисляется далее, превращаясь в CO 2 , и H 2 O. В анаэробных условиях реокисление NADH путем переноса восстановительных эквивалентов на дыхательную цепь и далее на кислород происходить не может. Поэтому NADH восстанавливает пируват в лактат. 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.
жэжэжэжээжэ
Как происходит окисление глюкозы в клетке? В этом процессе участвует множество ферментов. Ферментативное расщепление и окисление глюкозы называют гликолизом (греч. glycos - сладкий, lysis - расщепление). Ферменты, окисляющие глюкозу, составляют своего рода ферментативный "конвейер". Гликолиз происходит в цитоплазме. При этом одна шестиуглеродная молекула глюкозы С6Н12О6 ступенчато расщепляется и окисляется при участии ферментов до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты В этом превращении глюкозы последовательно участвуют девять ферментов. Если мы сравним число атомов в двух молекулах пировиноградной кислоты СН3СОСООН и в молекуле глюкозы С6Н]206, то увидим, что в процессе гликолиза молекула глюкозы не только расщепляется на две трехуглеродные молекулы, но и теряет четыре атома водорода, т. е. происходит окисление ее. Акцептором водорода (и электронов) в этих реакциях служат молекулы никотинамидадениндинуклеотида (