Полное окисление 1 грамм-молекулы глюкозы сопровождается выделением 686000 калорий энергии, при этом только 12000 калорий необходимо для образования 1 грамм-молекулы АТФ. Если бы сразу вся глюкоза окислялась до воды и углекислого газа при образовании 1 молекулы АТФ, потери энергии были бы неизбежны. К счастью, во всех клетках организма присутствуют особые белковые ферменты, обеспечивающие последовательное поэтапное расщепление молекулы глюкозы при образовании молекулы АТФ. При этом выделяемая на каждом этапе небольшими порциями энергия используется для образования АТФ, что обеспечивает образование 38 моль АТФ при окислении каждого моля глюкозы.

Едва ли не самый важный способ преобразования молекулы глюкозы , приводящий к высвобождению энергии, начинается процессом гликолиза. Конечные продукты гликолиза подлежат последующему окислению, что сопровождается высвобождением энергии. Гликолиз - это последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется с образованием двух молекул пировиноградной кислоты.

Гликолиз обеспечивается 10 последовательными реакциями , представленными на рисунке. Каждый из этих этапов катализируется одним из специфических белков-ферментов. Обратите внимание, что глюкоза прежде всего превращается в фруктозо-1,6-дифосфат, а затем расщепляется на 2 молекулы, содержащие три атома углерода, глицеральдегид-3-фосфат, каждая из которых, пройдя пять дополнительных этапов, становится пировиноградной кислотой.

Образование АТФ во время гликолиза . При расщеплении молекулы глюкозы на большей части этапов выделяется очень небольшое количество свободной энергии, несмотря на многочисленность химических реакций, участвующих в процессе гликолиза. Однако на этапах преобразования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоенолпировиноградной кислоты - в пировиноградную кислоту выделяются порции энергии более 12000 калорий на моль, чем необходимо для образования молекулы АТФ, поэтому эти этапы и сопровождаются образованием АТФ. В итоге из каждого моля фруктозо-1,6-фосфата при его расщеплении до пировиноградной кислоты образуются 4 моля АТФ.

Две молекулы АТФ необходимы для фосфорилирования исходной глюкозы при образовании фруктозо-1,6-дифосфата, т.е. для обеспечения начальных этапов гликолиза, поэтому чистый выход АТФ в процессе гликолиза составляет только 2 моля АТФ на каждый моль использованной глюкозы. При этом количество энергии, запасенной в виде АТФ, эквивалентно 24000 калорий. Во время гликолиза суммарно около 56000 калорий теряется на каждый использованный моль глюкозы, поэтому в целом эффективность этого механизма в пересчете на количество связанной в форме АТФ энергии составляет всего 43%. Остальные 57% энергии теряются в виде тепла.

Следующая стадия расщепления глюкозы получила название цикла лимонной кислоты (другое название - цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса). Этот цикл представляет собой последовательность химических реакций, в результате которых ацетил-КоА расщепляется до углекислого газа и атомов водорода. Эти реакции осуществляются в матриксе митохондрий. Атомы водорода, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, будут последовательно окисляться (что обсуждается далее) с выделением огромного количества энергии в виде АТФ.

На рисунке показаны различные этапы химических реакций цикла лимонной кислоты. Вещества, показанные в левой части рисунка, вступают в химические реакции, а продукты этих реакций изображены в правой части рисунка. Заметьте, что верхняя часть колонки начала химических реакций представлена щавелево-уксусной кислотойу и в конце цепи реакций в основании колонки вновь появляется щавелево-уксусная кислота.

На начальной стадии цикла лимонной кислоты ацетил-КоА взаимодействует с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. Коэнзим А отделяется от ацетил-КоА и может использоваться вновь для образования новых молекул ацетил-КоА из пировиноградной кислоты.

Ацетильная часть может использоваться, становясь составной частью молекулы лимонной кислоты. На протяжении последующих стадий цикла лимонной кислоты в реакцию вступают молекулы воды, как показано в левой части рисунка. В итоге образуются углекислый газ и атомы водорода.

Суммарный итог реакций цикла лимонной кислоты приводится на рисунке. В итоге метаболических процессов из каждой исходной молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ацетил-КоА, вступающие в реакции цикла лимонной кислоты наряду с 6 молекулами воды. В результате образуются 4 молекулы углекислого газа, 16 атомов водорода и 2 молекулы коэнзима А. Кроме того, образуются 2 молекулы АТФ.

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.

Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях , при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.

Гликолиз

Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.

Первый этап гликолиза

Первый этап гликолиза – подготовительный , здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов .

Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой .

Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент глюкозофосфат-изомераза ). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.

Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат- альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы . Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров.

Второй этап гликолиза

Второй этап гликолиза – это освобождение энергии , содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ .

Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа ) – окисление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.

В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа ) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – , что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (использование энергии электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.

Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.

Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы . Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях.

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

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..

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.

1 Глик о лиз (от греч. glykys - сладкий и lysis - распад, разложение), процесс анаэробного ферментативного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы) в животных тканях, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) (см. Аденозинфосфорные кислоты) заканчивающийся образованием молочной кислоты. Г. имеет большое значение для мышечных клеток, сперматозоидов, растущих (в т. ч. опухолевых) тканей, т.к. обеспечивает накопление энергии в отсутствии кислорода. Продукты, образующиеся при Г., являются субстратами последующих окислительных превращений (см. Трикарбоновых кислот цикл). Процессами, аналогичными Г., являются молочнокислое, маслянокислое, спиртовое и пр. видыброжения, протекающего в растительных, дрожжевых и бактериальных клетках. Интенсивность отдельных стадий Г. зависит от кислотности - водородного показателя - рН (оптимум рН 7-8), температуры и ионного состава среды. Последовательность реакций Г. (см. схему) хорошо изучена, идентифицированы промежуточные продукты, выделены ферменты Г. в кристаллическом или очищенном виде.

2 Углеводный обмен или метаболизм углеводов в организмах животных и человека . Метаболизм углеводов в организме человека состоит из следующих процессов:

Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей поли- и дисахаридов до моносахаридов , дальнейшее всасывание моносахаридов из кишечника в кровь .

Синтез и распад гликогена в тканях (гликогенез и гликогенолиз ), прежде всего в печени .

Гликолиз - распад глюкозы . Первоначально под этим термином обозначали только анаэробное брожение , которое завершается образованием молочной кислоты (лактата) или этанола иуглекислого газа . В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6-фосфата , фруктозодифосфата и пирувата как в отсутствии, так и в присутствии кислорода . В последнем случае употребляется термин «аэробный гликолиз», в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием молочной кислоты или лактата.

Аэробный путь прямого окисления глюкозы или, как его называют, пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

Взаимопревращение гексоз

Аэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза - пирувата.

Глюконеогенез - образование углеводов из неуглеводных продуктов (пирувата , лактата , глицерина , аминокислот , липидов , белков и т. д.).

3Ци ́ кл трикарбо ́ новых кисло ́ т (цикл Кре ́ бса , цитра ́ тный цикл , цикл лимонной кислоты ) - центральная часть общего путикатаболизма , циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO 2 . При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии - АТФ .

Цикл Кребса - это ключевой этап дыхания всех клеток , использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом , за эту работу он (совместно с Ф. Липманом ) был удостоен Нобелевской премии (1953 год ).

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий , причём катализирующие их ферменты , кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа , которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

4 Пентозофосфатный путь окисления углеводов

Открытие пути прямого окисления углеводов , или, как его называют, пентозофосфатного цикла , принадлежит О. Варбургу, Ф. Липману, Ф. Ди-кенсу и В.А. Энгельгарду. Расхождение путей окисления углеводов – классического (цикл трикарбоновых кислот , или цикл Кребса ) и пентозофос-фатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфо-рилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты , которая, окисляясь до ацетил-КоА, затем «сгорает» в цикле Кребса .

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозофосфатного цикла относительно высока в печени , надпочечниках, эмбриональнойткани и молочной железе в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН, необходимый для биосинтеза жирных кислот , холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтезануклеиновых кислот и многих коферментов . При ряде патологических состояний удельный вес пенто-зофосфатного путиокисления глюкозы возрастает. Механизм реакций пентозофосфатного цикла достаточно расшифрован

Окислительное декарбоксилирование пирувата[править]

Дополнительные сведения: Пируватдегидрогеназный комплекс

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединённых структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E 1). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E 1 -ТПФ-СНОН-СН 3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е 2). Этот фермент катализирует III стадию - перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продуктаацетил-КоА , который является высокоэнергетическим (макроэргическим ) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид-Е 2 . При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е 3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН 2 дигидролипоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н + .

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий . В нём принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса ) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А , ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E 1 , липоамид-Е 2 и ФАД-Е 3), а два - легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД + + HS-KoA = Ацетил-КоА + НАДН + Н + + СO 2 .

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО 2 и Н 2 О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса ). Этот процесс, так же как окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.