3.3. Гликолиз

Гликолиз (Greek glucose – сахар, lysis – разрушение) – последовательность реакций превращения глюкозы до пирувата. В процессе гликолиза часть свободной энергии распада глюкозы превращается в АТФ и НАДН. Гликолиз – это анаэробный процесс, игравший ведущую роль в энергетическом обеспечении клеток до аккумуляции в атмосфере определенных количеств кислорода. Исследования гликолитического превращения глюкозы были суммированы в 1940 г. Г.Эмденом, О.Мейергофом и Я.Парнасом и эти метаболические превращения получили альтернативное название «путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса».

Суммарная реакция гликолиза:

Глюкоза + 2 Рн + 2 АДФ + 2 НАД⁺→ 2 пируват + 2 АТФ + 2 НАДН + 2Н⁺ + 2 Н₂О

В анаэробных превращениях глюкозы до 2 молекул пирувата освобождается -21 ккал/моль (-88 кДж/моль) энергии.

Основные признаки гликолиза.

1. Протекает во всех клетках организма. Ферменты локализованы в цитозоле клеток.

2. В анаэробных условиях (в отсутствии кислорода) образующийся пируват превращается в лактат. В аэробных условиях (присутствие кислорода) пируват окисляется до ацетил-КоА, который затем вступает в ЦТК, где его ацетильная группа окисляется до СО₂ и Н₂О.

3. В клетках, лишенных митохондрий (эритроциты, роговая оболочка глаза, хрусталик глаза) гликолиз является главным источником образования АТФ. В клетках, имеющих митохондрии, гликолиз является этапом аэробного окисления углеводов.

4. Наиболее активно протекает в мозге, поскольку окисление глюкозы является основным источником энергии для нервной ткани. У взрослого человека около половины глюкозы используется мозгом.

5. В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме животных, растений и многих микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ; в организме человека и животных гликолиз позволяет поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в условиях недостатка кислорода.

6. Промежуточные продукты гликолиза используются для биосинтеза заменимых аминокислот и глицерола.

3.3.1. Гликолиз как специфический путь катаболизма глюкозы включает 10 реакций и протекает в цитозоле одинаково в аэробных и анаэробных условиях.

1. Фосфорилирование глюкозы осуществляется ферментами: неспецифической гексокиназой с низкой константой Михаэлиса (10^-5 М), и присутствующей преимущественно в печени специфической глюкокиназой (Кm = 10^-3 М). Активность глюкокиназы индуцируется глюкозой пищи. Оптимальная концентрация глюкозы крови для глюкокиназы 5 ммоль/л. Реакция фосфорилирования глюкозы необратима. Оба фермента фосфорилируют глюкозу с помощью Mg-АТФ комплекса. Глюкозо-6-фосфат не проходит через клеточные мембраны и является ключевой молекулой различных внутриклеточных путей обмена углеводов – гликолиза, гликогенолиза, глюконеогенеза и пентозофосфатного пути.

2. Изомеризация Г-6-Ф во фруктозо-6-фосфат катализируется фосфогексоизомеразой. Реакция обратима. Изомеризуется только -аномер Г-6-Ф. Это один из наиболее активных ферментов гликолиза.

3. Фосфорилирование Ф-6-Ф во Ф-1,6-БФ, фермент фосфофруктокиназа (ФФК-I). Реакция требует АТФ и Mg²⁺. Это самая медленная реакция специфического пути катаболизма глюкозы и поэтому лимитирует скорость всего процесса. Реакция необратима. ФФК - аллостерический регуляторный фермент.

4. Расщепление Ф-1,6-БФ на две фосфотриозы катализируется ферментом фруктозобисфосфат-альдолазой. В реакции образуются глицеральдегид-3-фосфат (ГАФ) и диоксиацетонфосфат (ДАФ).

5. Изомеризация триозофосфатизомеразой. Равновесие сдвинуто в сторону ДАФ (95%) и 5% ГАФ. Однако в последующие реакции вступает только ГАФ. Итак, 1 молекула гексозы распалась на 2 молекулы фосфотриоз, которые далее превращаются одинаково.

6. Окисление ГАФ. Обе молекулы ГАФ дегидрируются с одновременным присоединением неорганического фосфата с помощью фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФ-ДГ) в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту. Фермент состоит из 4-х субъединиц. В активном центре фермента находится SH-группа (цис-149) и связанный кофермент НАД⁺. Вначале ГАФ присоединяется к ферменту по SH-группе с образованием тиополуацеталя. При его окислении (дегидрировании) образуется богатый энергией тиоэфир. Затем протоны и электроны переносятся со связанного с ферментом НАД на цитоплазматический, а присоединяющийся Рн ведет к образованию 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты. Таким образом альдегид окисляется в кислоту, а энергия окисления аккумулируется в виде ~Р (макроэргического фосфата). Существует обязательный порядок связывания с ферментом субстратов и отделения от него продуктов реакции: 2 ГАФ + 2 Н₃РО₄ + 2 НАД⁺ 2 1,3-БФГК + 2 НАДН+Н⁺.

7. Фермент фосфоглицераткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

8. Перенос фосфата в положение С₂ катализируется фосфоглицератмутазой. В качестве «косубстрата» участвует 2,3-бисфосфоглицерат и необходимы ионы Мg²⁺.

В большинстве тканей содержание 2,3-бисфосфоглицерата незначительное, но в эритроцитах количество этого вещества достигает 4 мМ. Это связано с участием 2,3-бисфосфоглицерата в транспорте кислорода гемоглобином, он снижает сродство гемоглобина к кислороду.

9. Енолизация. Фермент енолаза. Требует обязательного присутствия ионов Мg²⁺, Мn²⁺.

Енолаза блокируется флюоридом. Это используется для сохранения глюкозы в консервированной крови.

При енолизации происходит образование макроэргической связи (61,9 кДж/моль) в составе фосфоенолпирувата (ФЕП).

10. Фермент пируваткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

Итогом 10 реакций специфического пути катаболизма глюкозы в цитозоле клеток является: 2 молекулы пирувата; 2 молекулы НАДН+Н⁺; 4 молекулы АТФ образовалось, но израсходовано 2 молекулы АТФ (+2 молекулы АТФ).

3.3.2. Необратимые реакции гликолиза. Большинство реакций гликолиза является обратимыми. Три реакции, катализируемые ферментами гексокиназой (глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой необратимы. На этих этапах осуществляется регуляция гликолиза.