Какие продукты образуется при гликолизе

Гликолиз (от
греч. glycys – сладкий и lysis –
растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций,
приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ.

При аэробных
условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2
и Н2О. Если содержание кислорода недостаточно, как это может иметь
место в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат.

Итак,
гликолиз – не только главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный
путь, поскольку он может использовать кислород, если

последний
доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода
(анаэробные условия).

Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глюкозы,
протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным
продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется
АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

В анаэробных
условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий
энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный
период может осуществлять ряд физиологических функций в условиях
недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в
присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе .

Последовательность
реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо
изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство
из которых выделено в гомогенном, клисталлическом или высокоочищенном виде и
свойства которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в
гиало-плазме (цитозоле) клетки.

Первой
ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос
остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом
гексокиназой:

Образование
глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением
значительного количества свободной энергии системы и может считаться
практически необратимым процессом.

Наиболее
важным свойством гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, т.е.
последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим
ингибитором.

Фермент
гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и
других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и т.д. В печени, кроме
гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование
только D-глюкозы. В мышечной ткани этот фермент отсутствует (подробнее см.
главу 16).

Второй
реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фос-фата под действием
фермента глюкозо-6-фосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Эта реакция
протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо
кофакторов.

Третья
реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся
фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная
реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в
присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией
гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа
относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и
стимулируется АМФ . При значительных величинах отношения АТФ/АМФ активность
фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении
этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей
мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно
высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и
активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса
гликолиза.

Четвертую
реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента
фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция
обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном
уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего
образования триозофосфатов (дигидро-ксиацетонфосфата и
глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом
триозофосфатизомеразой:

Равновесие
данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигид-роксиацетонфосфата: 95%
дигидроксиацетонфосфата и около 5% глице-ральдегид-3-фосфата. В последующие
реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух
образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого
по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы
ди-гидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием
глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая
стадия – наиболее сложная и важная. Она включает окислительно-восстановительную
реакцию (реакция гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным
фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате
шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента
глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата
подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой
кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йод- или
бромацетатом, протекает в несколько этапов:

1,3-Бисфосфоглицерат
представляет собой высокоэнергетическое соединение (макроэргическая связь
условно обозначена знаком «тильда» ~). Механизм действия
глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии
неорганического фосфата НАД+ выступает как акцептор водорода,
отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН
глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп
последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочная и
расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется
1,3-бисфосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача
богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с
образованием АТФ и 3-фосфогли-цериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Таким
образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральде-гидфосфатдегидрогеназы
и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной
группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме
энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из
высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Восьмая реакция
сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и
3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту
(2-фосфоглицерат).

Реакция
легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+. Кофактором
фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота аналогично тому, как в
фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполняет глюкозо-1,6-бисфосфат:

Девятая
реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота
в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную
кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится
высокоэргической:

Енолаза
активируется двухвалентными катионами Mg2+или
Мn2+ и ингибируется фторидом.

Десятая
реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного
остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование).
Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия
пируваткиназы необходимы ионы Mg2+, а также
одновалентные катионы щелочных металлов (К+ или др.). Внутри клетки
реакция является практически необратимой.

В результате
одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и
образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента
лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

Последовательность
протекающих при гликолизе реакций представлена на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Последовательность реакций гликолиза.

1 –
гексокиназа; 2 – фосфоглюкоизоме-раза; 3 – фосфофруктокиназа; 4 – альдо-лаза; 5
– триозофосфатизомераза; 6 – гли-церальдегидфосфатдегидрогеназа; 7
-фосфоглицераткиназа; 8 – фосфоглицеромутаза; 9 – енолаза; 10 –
пируватки-наза; 11 –
лактатдегидрогеназа.

Реакция
восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный
цикл гликолиза. НАД+ при этом играет роль промежуточного переносчика
водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реакция) на пировиноградную кислоту
(11-я реакция), при этом сам он регенерируется и вновь может участвовать в
циклическом процессе, получившем название гликолитический оксидоредукции.

Биологическое
значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых
энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2
молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук-токиназная реакции). На последующих
образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).
Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях
составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Как
отмечалось, основной реакцией, лимитирующей скорость гликолиза, является
фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая скорость и регулирующая
гликолиз – гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза
осуществляется также ЛДГ
и ее изоферментами.

В тканях с
аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ1
и ЛДГ2 (см. главу 4). Эти изоферменты инги-бируются даже небольшими
концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и
способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле
трикарбоновых кислот.

В тканях
человека, в значительной степени использующих энергию гликолиза (например,
скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ5 и ЛДГ4.
Активность ЛДГ5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые
ингибируют ЛДГ1. Преобладание изоферментов ЛДГ4 и ЛДГ5
обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в
молочную кислоту.

Как
отмечалось, процесс анаэробного распада гликогена получил название
гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза
происходит при участии 2 ферментов – фосфорилазы а и фосфо-глюкомутазы. Образовавшийся в результате
фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс
гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и
гликогенолиза полностью совпадают:

В процессе
гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три
молекулы АТФ (АТФ не тратится на образование глюкозо-6-фосфата). Кажется, что
энергетическая эффективность глико-генолиза выглядит несколько более высокой по
сравнению с процессом гликолиза, но эта эффективность реализуется только при
наличии активной фосфорилазы а.
Следует иметь в виду, что в процессе активации фосфо-рилазы b расходуется АТФ (см. рис. 10.2).

Еще по теме:

• ГЛИКОЛИЗ – химическая энциклопедия
• Гликолиз – биохимический справочник
• Гликолиз – Наглядная биохимия

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 + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

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 Mg2+, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза.

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. 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 CO2 + 2 H2O.

Спиртовое брожение:

глюкоза → 2 этанол + 2 CO2.

Лимоннокислое брожение:

глюкоза → лимонная кислота + 2 H2O.

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 фосфофруктокиназ