Цикл гликолиз. Процесс гликолиза. Что такое гликолиз

Напишите схемы основных реакций гликолитического ресинтеза АТФ. Охарактеризуйте этот процесс по кинетическим показателям (быстроте развития, метаболитической мощности, емкости и эффективности). В каких видах спорта и почему при выполнении соревновательных нагрузок этот процесс является основным в энергообеспечении мышечной деятельности

Гликолиз - это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом освобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в организме животных, растений и многих бактерий, поставляющий энергию.

При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза - пировиноградная кислота окисляется до СО2 Н2О в цикле трикарбоновых кислот. Реакция это цикла осуществляется в митохондриях при участии кислорода. Эти реакции катализируются группой из одиннадцати ферментов. Гликолиз протекает в две стадии.

Первая стадия - подготовительная, или собирательная этой стадии различные гексозы вовлекаются в гликолиз. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счет АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.

Вторая стадия - окислительная. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват) или молочной кислоты (лактат). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАДН .

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - сложное органическое соединение, состоящее из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Первый остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому углеродному атому рибозы обычной эфирной связью, два другие соединяются между собой посредством богатой энергией пирофосфатной связи:

Гидролиз каждой пирофосфатной связи АТФ сопровождается выделением 6-8 ккал энергии на 1 грамм-молекулу.

В связи с тем, что в процессе жизнедеятельности АТФ постоянно расходуется, обязательным условием жизни является возобновление запасов АТФ в организме.

Реакция расщепления аденозинтрифосфата (АТФ + Н2О > АДФ + Н3РО4 + 8 ккал) по термодинамическим условиям не может быть обратимой, так как присоединение ортофосфата к АДФ требует поглощения 8 ккал на каждую грамм-молекулу. Энергия же, освобождающаяся при расщеплении АТФ, трансформируясь в другие виды энергии, безвозвратно теряется.

Ресинтез АТФ в организме может происходить в реакциях следующих четырех типов:

1) окислительное фосфорилирование на уровне субстрата;

2) окислительное фосфорилирование на уровне транспорта электронов;

3) дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты;

4) разрыв связей С-С, С-S и С-N.

Креатинкиназная реакция протекает чрезвычайно быстро Она характерна для кратковременных интенсивных физических нагрузок. Запасы креатинфосфата в мышцах ограничены, и поэтому такой путь ресинтеза АТФ может осуществляться очень недолгое время.

Ресинтез АТФ за счет АДФ (миокиназная или аденилаткиназная реакция) осуществляется путем взаимодействия двух молекул АДФ, одна из которых при участии фермента миокиназы передает свою концевую фосфатную группу другой молекуле, превращаясь в АМФ.

Ресинтез АТФ за счет макроэргических фосфорных соединений, образующихся в процессе мышечной деятельности, также может осуществляться двумя путями - путем гликолитического фосфорилирования и путем дыхательного фосфорилирования.

При гликолитическом фосфорилировании имеет место только субстратное фосфорилирование; в процессе анаэробного окисления глюкозы образуются макроэргические соединения дифосфоглицериновая и фосфоэнолпировиноградная кислоты, которые вступают в реакцию перефосфорилирования с АДФ.

Гликолитическое фосфорилирование подобно креатинкиназной и миокиназной реакциям, является анаэробным путем ресинтеза АТФ. Этот путь имеет преимущество перед другими, заключающееся в том, что углеводные запасы организма достаточно велики и, следовательно, гликолиз может обеспечивать ресинтез АТФ относительно долгое время. Ресинтез АТФ гликолитическим фосфорилированием является преобладающим при спортивных упражнениях максимальной интенсивности (например, бег на 100, 200, 400, 800 м), когда имеет место резкое несоответствие между сильно возросшей потребностью организма в кислороде и ограниченными возможностями ее удовлетворения.

Однако гликолиз имеет и недостатки, заключающиеся в его малой энергетической эффективности и в том, что неполное окисление глюкозы приводит к накоплению в организме недоокисленных продуктов кислотного характера - молочной и пировиноградной кислот.

Следовательно, для ресинтеза одного и того же количества АТФ при гликолизе следует затратить 1 г глюкозы, а при аэробном окислении - только около 0,08 г глюкозы или около 0,03 г жирных кислот .

Каков бы ни был характер и какова бы ни была длительность работы, источником энергии мышечных сокращений всегда является расщепление АТФ. Однако пути ресинтеза ее в промежутках между сокращениями, а следовательно, и источники энергии мышечной деятельности при работе разного характера и разной длительности различный.

Если работа совершается с максимальной интенсивностью и длится короткое время, то поглощение кислорода не успевает во время работы достигнуть максимальной величины. При этом потребность в кислороде так велика, что даже и максимально возможное поглощение кислорода не могло бы удовлетворить ее. Так, во время бега на 100 м спортсмен поглощает только 5-10% нужного ему кислорода. Остальные же 90-95% поглощаются после финиша, в периоде отдыха, образуя кислородную задолженность, или кислородный долг, а при марафонском беге потребляется 90% всего нужного организму кислорода, а кислородный долг составляет всего около 10%.

Естественно, что при резком несоответствии между потребностью организма в кислороде и фактической возможностью ее удовлетворения активируются анаэробные пути ресинтеза АТФ.

В первые секунды работы ресинтез АТФ происходит за счет креатинфосфата. Снижение содержания АТФ при высоком уровне креатинфосфата в мышечной клетке сразу же обращает креатинфосфокиназную реакцию в сторону переноса макроэргической фосфатной группы с креатинфосфата на АДФ. Поэтому такие упражнения, как бег на короткие отрезки 100-метровой дистанции, прыжок с места, одноразовый подъем штанги или выполнение какого-либо гимнастического элемента, могут не сопровождаться сколько-нибудь заметным повышением уровня молочной кислоты в крови, несмотря на то, что потребность организма в кислороде во время их выполнения удовлетворяется всего на 5-7%. Это говорит о том, что ресинтез АТФ в этих случаях происходит почти исключительно за счет креатинфосфата. При более длительной интенсивной работе все в большей степени используется гликолиз. Интенсивная работа длительностью более 5-10 сек. всегда сопровождается повышением содержания молочной кислоты в крови, образующейся в мышцах в результате быстро протекающего процесса гликолиза. Набольших величин оно достигает при выполнении упражнений максимальной и субмаксимальной интенсивности (например, при беге на 100, 200 и 400 м). Причем повышение уровня молочной кислоты тем больше, чем больше длительность работы.

При выполнении упражнений средней и умеренной интенсивности, небольшой длительности ресинтез АТФ за счет креатинфосфата и гликолиза имеет место лишь в начале работы, затем постепенно сменяется дыхательным фосфорилированием. Содержание молочной кислоты в крови, повысившееся в начале работы, по мере ее продолжения постепенно снижается, а к концу работы может достигать даже нормального уровня, так как молочная кислота в процессе работы подвергается аэробному окислению до углекислоты и воды, а частично используется для ресинтеза углеводов (гликогена). Это наблюдается, например, во время лыжных гонок, различных кроссов, марафонского бега и т. д.

Если по ходу длительных упражнений средней или умеренной интенсивности мощность работы увеличивается (например, ускорения во время бега или при финишировании), то увеличивается и содержание молочной кислоты в крови, т. е. усиливается гликолиз.

Таким образом, в начале всякой работы (а при работе максимальной и субмаксимальной интенсивности на всем ее протяжении) ресинтез АТФ осуществляется анаэробным путем - сначала за счет креатинфосфата, а затем за счет гликолиза; по мере же продолжения работы гликолиз постепенно сменяется дыхательным фосфорилировнием. При этом в зависимости от интенсивности работы может наблюдаться то или иное соотношение гликолитического и дыхательного фосфорилирования Гликолиз максимально преобладает при беге на 400 и 800 м, когда фактическое потребление кислорода еще далеко от удовлетворения потребности в нем, а сравнительно малых количеств креатинфосфата в мышцах недостаточно для обеспечения ресинтеза АТФ в течение 2-3 мин. работы. Далее интенсивность гликолиза снижается, все более уступая место аэробному окислению .

Каков же непосредственный химизм усиления гликолиза и дыхательного фосфорилирования при мышечной деятельности? Фактором, активирующим процессы, связанные с фосфорилированием, является наличие фосфатных акцепторов (т. е. веществ, способных воспринимать макроэргические фосфатные группы). К таким веществам относятся аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) и креатин. Увеличение содержания этих веществ в мышцах приводит прежде всего к усилению расщепления углеводов, которое идет по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты. Оно обеспечивает ресинтез лишь части АТФ вследствие своей малой эффективности в энергетическом отношении. После окончания работы, характеризующейся гликолитическим ресинтезом АТФ, содержание последней в мышцах по сравнению с состоянием покоя оказывается значительно сниженным (на 30-40%), а содержание АДФ, АМФ и креатина - повышенным .

Дальнейшего увеличения концентрации молочной кислоты не происходит, так как активная реакция внутренней среды (рН) смещается в кислую сторону, происходит торможение активности гликолитических ферментов, что снижает скорость образования АТФ. Уменьшение рН приводит также к нарушению деятельности нервных клеток и развитию в них охранительного торможения и ухудшению передачи возбуждения с нерва на мышцу.

Этот момент следует рассмотреть более подробно. После того, как запасы КрФ в мышцах начинают исчерпываться, и скорость креатинфосфатной реакции начинает уменьшаться, к процессу ресинтеза АТФ все больше подключается гликолиз. Наибольшая мощность энергообразования в процессе анаэробного гликолиза достигается в упражнениях с предельной продолжительностью от 20 до 40-45 секунд, затем, в результате накопления молочной кислоты и снижения внутриклеточного рН, происходит снижение скорости гликолиза, поэтому, после достижения наибольшей мощности к 40-45 секунде, следует период удержания мощности до 60-65 секунды. К 60-65 секунде работы предельной продолжительности в мышцах накапливается максимальное количество молочной кислоты. Максимум молочной кислоты, который может не причинить вреда организму тренированного человека, составляет 2-2,5 г/л в крови, и несколько больше в мышцах. После достижения максимальных величин накопления молочной кислоты в работающих мышцах, мощность гликолиза начинает снижаться и ко 2-3 минуте работы роль основного поставщика энергии принимает на себя аэробный процесс, осуществляющийся в митохондриях.

Резюмируя всю вышеизложенную информацию, можно сделать вывод, что наибольшее расщепление белковых структур происходит при выполнении работы максимальной продолжительности от 40 секунд до 65 секунд .

водный баланс организм фермент

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 анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и 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 (от 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.

Глико́лиз ферментативный процесс анаэробного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы) в клетках человека и животных, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), основного аккумулятора химической энергии в клетке, и заканчивающийся образованием молочной кислоты (лактата). У растений и микроорганизмов процессами, аналогичными, являются различные виды брожения (Брожение). Г. является наиболее важным анаэробным путем распада углеводов (Углеводы), играющим значительную роль в обмене веществ и энергии (Обмен веществ и энергии). В условиях недостаточности кислорода единственным процессом, поставляющим энергию для осуществления физиологических функций организма, оказывается Г., а в аэробных условиях Г. представляет первую стадию окислительного превращения глюкозы (Глюкоза) и других углеводов до конечных продуктов их распада - СО2 и Н2О (см. Дыхание тканевое). Интенсивный Г. происходит в скелетных мышцах, где он обеспечивает возможность развития максимальной активности мышечного сокращения в анаэробных условиях, а также в печени, сердце, головном мозге. Реакции Г. протекают в цитозоле.

Глико́лиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена - Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) - ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.

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 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 тканеспецефичного 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. Фосфорилирование глюкозы - это единственная реакция в организме, в которой глюкоза участвует как таковая.

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):

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.

Гликолиз (от греч. glycys – сладкий, lysis - разрушение) – универсальный и основной процесс катаболизма углеводов для большинства организмов. Гликолиз – процесс анаэробный, однако он может протекать как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. Он является ключевым метаболитическим путем, генерирующим энергию в форме АТФ в клетках, где отсутствует фотосинтез.

Исследования химизма гликолиза показали, то начальные этапы процессов брожения и дыхания имеют общий путь. Это открытие было уникальным, потому что оно вскрывало существование внутреннего единства в живой материи. При дыхании у аэробных организмов гликолиз предшествует циклу трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов. Пируват проникает в митохондрии, где он полностью окисляется до СО2, в результате чего с высокой эффективностью из гексозы извлекается свободная энергия. При брожении, в анаэробных условиях, пируват превращается в продукты брожения. У подавляющей части клеток ферменты, катализирующие гликолитические реакции, присутствуют в растворимой форме в цитозоле, т.е. в гомогенной водной фазе цитоплазмы. В отличие от них ферменты, катализирующие те этапы окисления углеводов, которые требуют присутствия кислорода, локализуются в митохондриальных мембранах.

Расщепление шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы пирувата совершается при участии десяти ферментов. Все они были выделены в чистом виде из разных видов организмов и тщательно изучены.

Гликолиз осуществляется во всех живых клетках организмов. В процессе гликолиза происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пировиноградной кислоты: С 6 Н 12 O 6 -> 2С 3 Н 4 O 2 + 2Н 2 . Этот окислительный процесс может протекать в анаэробных условиях (в отсутствие кислорода) и идет через ряд этапов. Прежде всего, для того чтобы подвергнуться дыхательному распаду, глюкоза должна быть активирована. Активация глюкозы происходит путем фосфорилирования шестого углеродного атома за счет взаимодействия с АТФ:

глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ

Реакция идет в присутствии ионов магния и фермента гексокиназа. Затем глюкозо-6-фосфат изомеризуется до фруктозо-6-фосфата. Процесс катализируется ферментом фосфоглюкоизомеразой:

глюкозо-6-фосфат → фруктозо-6-фосфат

фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ

Дальнейшие реакции, составляющие процесс гликолиза, складываются следующим образом: фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется с образованием двух триоз, реакция катализируется ферментом альдолазой, которая состоит из четырех субъединиц и содержит свободные SH-группы. Молекула фосфодиоксиацетона при участии фермента триозофосфатизомеразы превращается также в 3-фосфоглицериновый альдегид (ФГА). Дальнейшим превращениям подвергается именно ФГА, окисляясь до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (ДФГК). Это важнейший этап гликолиза. Процесс идет с участием неорганического фосфата (Н 3 РO 4) и фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидро-геназы. Молекула этого фермента состоит из четырех идентичных субъединиц. Каждая субъединица представляет одиночную полипептидную цепь приблизительно из 220 аминокислотных остатков. Фермент содержит SH-группы и кофермент НАД, который взаимосвязан с ферментом на всем протяжении процесса. Сущность процесса заключается в окислении альдегидной группы ФГА в карбоксильную ДФГК. Окисление идет с выделением энергии. За счет энергии окисления при участии неорганического фосфата (Н 3 РO 4) в молекуле ДФГК образуется макроэргическая фосфатная связь. Одновременно происходит восстановление кофермента НАД.

Поскольку при распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы ФГА, то все реакции повторяются дважды. Таким образом, суммарное уравнение гликолиза. В результате процесса гликолиза образуются четыре молекулы АТФ, однако две из них покрывают расход на первоначальное активирование субстрата. Следовательно, накапливаются две молекулы АТФ. Образование АТФ в процессе следующее:

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

Реакция гликолиза носит название субстратного фосфорилирования, поскольку макроэргические связи возникают на молекуле окисляемого субстрата. Если считать, что при распаде АТФ из АДФ и Фн выделяется 30,6 кДж, то за период гликолиза накапливается в макроэргических фосфатных связях всего 61,2 кДж. Прямые определения показывают, что распад молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты сопровождается выделением 586,6 кДж. Следовательно, энергетическая эффективность гликолиза невелика. Кроме того, образуются 2 молекулы НАДН, которые вступают в дыхательную цепь, что приводит к дополнительному образованию АТФ. Образовавшиеся две молекулы пировиноградной кислоты участвуют в аэробной фазе дыхания.

Регуляция гликолиза

Гликолиз выполняет две функции:

1) генерирует АТФ за счет расщепления гексозы
2) поставляет строительные блоки для реакций синтеза.

Его регуляция и направлена на удовлетворение этих двух потребностей клетки. Реакции, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой, практически необратимы; они выполняют не только каталитическую, но и регуляторную функции.

Особая роль в выполнении регуляторной функции отводится фосфофруктокиназе (катализирует превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-дифосфат, данная реакция является наиболее медленно текущей и определяет скорость всего процесса). Активность фосфофруктокиназы аллостерически контролируется рядом важных метаболитов, а именно:

1) фосфорилированными промежуточными продуктами, такими как глицеральдегид-3-фосфат, 2-фосфоглицерат и фосфоенолпируват;
2) адениннуклеотидом и ортофосфатом. Фосфофруктокиназа ингибируется высокими концентрациями АТФ, снижающими ее сродство к фруктозо-6-фосфату.

Активность фермента возрастает при снижении отношения АТФ/АМФ. Иначе говоря, гликолиз стимулируется в условиях низкого уровня энергии в клетке. На активность фосфофруктокиназы влияют также избыток или недостаток строительных блоков. Так, она ингибируется цитратом – ромежуточным продуктоам на начальных стадиях цикла трикарбоновых кислот. Избыток цитрата означает, что соединения, играющие в биосинтезе роль предшественников, присутствуют в больших количествах и, следовательно, необходимо снижение интенсивности гликолиза. Таким образом, когда клетка нуждается в энергии и строительных блоках, о чем свидетельствует низкое значение отношения АТФ/АМФ и низкое содержание цитрата, фосфофруктокиназа наиболее активна. При избытке энергии и строительных углеродных фрагментов активность фермента резко снижается.

Катализирующая неравновесную реакцию пируваткиназа (перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на АДФ) ингибируется АТФ и цитратом и активируется своим субстратом и АДФ.

Повышение уровня АТФ, глюкозо-6-фосфата, как и цитрата, приводит к ингибированию гексокиназы (катализирует реакцию фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфат).