Гликолиз

Катаболизм углеводов в организме человека включает несколько метаболических путей и обеспечивает высвобождение энергии в форме АТФ, а также образование соединений, необходимых для синтеза других биологически важных веществ. Центральным путем катаболизма глюкозы является гликолиз, в ходе которого шестивуглецева молекула глюкозы распадается до кислот (пировиноградной или молочной), имеющие по 3 атома углерода в молекуле. Процесс может осуществляться в анаэробных и аэробных условиях.

В организме человека анаэробный гликолиз с образованием молочной кислоты (лактата) обеспечивает энергией скелетные мышцы при интенсивной работе, когда ограниченное поступление кислорода к митохондриям. В клетках, не имеющих митохондрий (зрелые эритроциты) или с пониженной окислительной способностью (сетчатка глаза, семенники, мозговая часть почек, злокачественные опухоли), также происходит гликолитическая расщепление глюкозы до молочной кислоты. Но в большинстве тканей организма человека имеет место полное аэробная расщепление глюкозы до СО2 и Н2О. Гликолиз с образованием пировиноградной кислоты является первым этапом этого процесса, специфическим для углеводов, а за ним следует общий путь катаболизма (окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл лимонной кислоты, митохондриальный дыхательный цепь). Ткани, адаптированы к работе в аэробных условиях (например, нервная ткань, сердечную мышцу), очень чувствительны к гипоксии.

Во многих микроорганизмах, растущих в анаэробных условиях, образование энергии также обеспечивает гликолитический распад углеводных субстратов. При этом конечные продукты бывают разными: молочная кислота (молочнокислые бактерии), этанол (пивные дрожжи), глицерин, пропионовая и масляная кислоты и др. Процессы такого типа часто называют брожением. Молочнокислого брожения идентичное анаэробного гликолиза, что имеет место в скелетных мышцах человека и животных при напряженной работе.
реакции гликолиза

Превращения глюкозы в молочную кислоту состоит из одиннадцати последовательных ферментативных реакций и происходит в цитоплазме клеток. Почти для всех ферментов гликолиза нужны ионы Mg2 + как активаторы.

1. В первой реакции молекула глюкозы активируется путем взаимодействия с АТФ под действием гексокиназы или глюкокиназы (рис.). Таким образом, катаболизм глюкозы начинается с использования АТФ. Свойства обоих ферментов рассмотрены выше. Реакция фосфорилирования глюкозы необратима и является одной из трех регуляторных реакций гликолиза.

2. глюкозо-6-фосфат изомеризуется в фруктозо-6-фосфат под действием фосфоглюкоизомеразы. Реакция обратная.

3. Фруктозо-6-фосфат присоединяет еще один фосфатный остаток от АТФ с образованием фруктозо-1,6-дифосфата в необратимый реакции, которую катализирует фосфофруктокиназы — наиболее важный регуляторный фермент гликолиза. Активаторы фосфофруктокиназы — АМФ и АДФ, ингибиторы — АТФ и цитрат.

4. альдолазы катализирует расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на два триозофосфаты: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Реакция обратная.

5. Образующиеся триозофосфаты есть изомеры и под действием триозофосфатизомеразы могут взаемоперетворюватись. В следующей реакции гликолиза используется глицеральдегид-3-фосфат и поэтому диоксиацетонфосфат для дальнейшего преобразования должен перейти в глицеральдегид-3-фосфат. Эти пять реакций составляют первый, подготовительный этап гликолиза, когда молекула глюкозы дважды фосфорилируется за счет АТФ. Таким образом, на активацию молекулы глюкозы и подготовку ее к расщеплению на две триозы расходуется две молекулы АТФ.

6. Второй этап гликолиза начинается с окисления глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-дифосфоглицерата). Это окислительно-восстановительную реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы с коферментом никотинамид (НАД +), который восстанавливается. В реакции участвует неорганический фосфат. В ходе окисления альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата в карбоксильную большая часть свободной энергии реакции содержится в ковалентной связи карбоксила с фосфатом (высокоэнергетический или Макроэргические связь). Поскольку в клетке ограниченное количество НАД +, восстановлен НАД, который образуется в этой реакции, для участия в гликолитическая распаде новых молекул глюкозы должен перейти обратно в окисленную форму (НАД +). В аэробных условиях НАД окисляется в процессе работы дыхательной цепи за счет молекулярного кислорода, а в анаэробных условиях — в последний реакции гликолиза (преобразовании пирувата в лактат).

7. Фосфоглицераткиназа катализирует перенос высокоэнергетической фосфатной группы 1,3-дифосфоглицерата на АДФ и, таким образом, образование АТФ. В отличие от синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования (за счет энергии тканевого дыхания), синтез АТФ, соединенный с преобразованием высокоэнергетического субстрата в продукт, называют субстратным фосфорилированием. Фосфоглицераткиназна реакция обратная.

8. Фосфоглицератмутаза катализирует обратную реакцию переноса фосфатной группы в молекуле 3-фосфоглицерат в положение 2.

9. Фермент энолаза катализирует дегидратацию 2-фосфоглицерат с образованием фосфоэнолпируват. Отщепление воды вызывает перераспределение энергии в молекуле, образования соединения с высокоэнергетическим связью. Реакция обратная.

10. Высокоэнергетическая фосфатная группа фосфоэнолпируват переносится на АДФ с образованием АТФ и пировиноградной кислоты. Эту реакцию субстратного фосфорилирования катализирует пируваткиназа, третий регуляторный фермент гликолиза. Активирует пируваткиназы фруктозо-1,6-дифосфат, который образуется в третьей реакции гликолиза. Ингибиторами служат АТФ, ацетил-КоА, аминокислота аланин, жирные кислоты с длинной цепью. В условиях клетки пируваткиназна реакция практически необратима.

Наследственная недостаточность пируваткиназы в эритроцитах обусловливает развитие гемолитической анемии. Как отмечалось ранее, зрелые эритроциты не имеют митохондрий и поэтому полностью зависят от синтеза АТФ при гликолиза. Врожденный дефект пируваткиназы вызывает торможение гликолиза и недостаток энергии в эритроцитах, что приводит к нарушению целостности мембран, деформации клеток и устранения их из крови ретикуло-эндотелиальной системы.

11. В анаэробных условиях восстановлен НАДН, который образуется при окисления глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция), переходит в НАД + путем преобразования пирувата в лактат. Эту реакцию катализирует лактатдегидрогеназа. Обе окислительно-восстановительные реакции гликолиза (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназна и лактатдегидрогеназна) объединены и образуют внутришньокомпенсовану систему.
Лактатдегидрогеназна реакция обратная, и положение равновесия сильно смещено в сторону образования молочной кислоты, которая является конечным продуктом анаэробного гликолиза. Но молочная кислота — это своеобразный тупик в метаболизме, она может превратиться обратно в пируват путем обращения лактатдегидрогеназнои реакции, осуществляемой в аэробных условиях.
Поэтому молочная кислота, которая накапливается в скелетных мышцах во время напряженной работы, попадает в кровь и поступает в печень, миокард и в меньшей степени в другие ткани, где превращается в пируват. Последний в миокарде окисляется до СО2 и Н2О, а в печени частично окисляется, а частично превращается в глюкозу. Соответствующее направление лактатдегидрогеназнои реакции (в скелетных мышцах — в сторону лактата, а в миокарде — в сторону пирувата) обеспечивается содержанием изоферментов ЛДГ в данных органах. Напомним, что известно 5 изоферментов ЛДГ, образованные различными комбинациями субъединиц в тетрамерный молекуле фермента. В скелетных мышцах содержится изофермент М4 (ЛДГ5), активность которого не тормозится пирувата и выше, чем активность фермента сердца Н4. Такие свойства фермента полезны для скелетных мышц, где при напряженной работе резко усиливается анаэробный гликолиз. В сердечной мышце преобладает изофермент Н4 (ЛДГ1), что проявляет большее сродство с лактатом как субстрат, а также сильно тормозится пирувата. Это способствует окислению лактата в пируват, который сразу же подвергается окислительном превращению в митохондриях. Определение изоферментов ЛДГ в крови используется для диагностики заболеваний.