Гликолиз — центральный путь катаболизма глюкозы

Основным катаболичсским процессом деструкции глюкозы в клетках животных и человека является последовательность ряда реакций се окисления, в результате которых в анаэробных условиях глюкоза превращается в лактат, а в аэробных — в конечные продукты: С0₂ и воду. Ниже приведена биологическая значимость окислительных превращений глюкозы:

• • освобождение энергии, способной трансформироваться в химическую энергию молекул АТФ, в том числе и в анаэробных условиях; в присутствии кислорода до 70% потребности в АТФ может обеспечиваться за счет окисления углеводов;
• • образование в процессе катаболизма глюкозы промежуточных метаболитов, которые используются клеткой как структурные предшественники для синтеза аминокислот, стероидов, азотистых оснований, липидов и др.

Гликолиз— это последовательность десяти ферментативных реакций, в процессе которых в аэробных условиях глюкоза расщепляется до двух молекул пирувата (аэробный гликолиз), а в анаэробных — до двух молекул лактата (анаэробный гликолиз). Ниже приведены стехиометрические уравнения процессов анаэробного (а) и аэробного (б) гликолиза:

Разделение на анаэробный и аэробный гликолиз носит условный характер, так как реакции гликолиза в присутствии кислорода и его отсутствии одни и те же. Различия касаются лишь их скорости и конечных продуктов. При недостатке кислорода реокисление НАДН, образовавшегося в ходе гликолиза, осуществляется путем сопряжения с восстановлением пирувата в лактат, а в аэробных условиях НАДН окисляется в ходе кислородзависимого процесса окислительного фосфорилирования (гл. 15), результатом которого является образование большого количества АТФ.

Значение гликолиза. В клетках значимость гликолиза заключается в следующем.

• • В анаэробных условиях гликолиз — единственный процесс в организме животных, растений и многих микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ; в организме человека и животных гликолиз позволяет поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в условиях недостатка кислорода.
• • В аэробных условиях реакции гликолиза, остановившиеся на стадии образования пирувата (непосредственного предшественника лактата), составляют первую, начальную фазу деструкции углеводов, связанную далее с циклом трикарбоновых кислот. Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот приводят к полному окислению глюкозы до С0₂ и выделению больших количеств метаболической энергии (АТФ).

Последовательность реакций гликолиза. Гликолиз протекает в две стадии.

• • Первая стадия — подготовительная, или стадия активации глюкозы, которая включает пять реакций и завершается расщеплением углеродного скелета глюкозы на две молекулы трсхуглсродного скелета — глицсральдсгидфосфата.
• • Вторая стадия — генерация АТФ, в которой энергия окислительных реакций трансформируется в химическую энергию АТФ по механизму реакции субстратного фосфорилирования.

Процесс гликолиза протекает в цитозоле клетки, катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в высокоочпшенном состоянии из различных источников и хорошо изучено.

Подготовительная стадия гликолиза. В нее входят следующие реакции.

1. Необратимая реакция фосфорилирования глюкозы и образования глюкозо-6-фосфата, катализируемая ферментом гексокиназой, описана ранее (18.2.1):

2. Обратимая реакция кето-альдольной изомеризации глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат, катализируемая ферментом глюкозо-6-фосфатизомеразой:

3. Необратимая реакция фосфорилирования фруктозо-6-фосфата молекулой АТФ до фруктозо-1,6-дифосфата, катализируемая ферментом фосфофруктокиназой:

4. Обратимая реакция расщепления связи С—С во фруктозо-1,6-дифосфате на две триозы, катализируемая ферментом альдолазой:

5. Обратимая реакция кето-альдольной изомеризации дигидрооксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат, катализируемая ферментом триозофосфатнзомеразой:

Поскольку в последующие реакции включается только глицеральдегид-3- фосфат, по мере его потребления дегидроацетонфосфат превращается также в эту триозу. Таким образом, каждая молекула глюкозы дает две триозные единицы, которые включаются во вторую стадию гликолиза, поэтому необходимо, чтобы каждая последующая реакция произошла дважды.

Стадия генерации ЛТФ. В эту стадию входят следующие реакции.

• 6. Обратимая реакция окисления глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата, которая катализируется ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой (Е—SH). В этой реакции участвуют кофермент этого фермента НАД* и неорганический фосфат. Реакция протекает в две стадии:
  • — соединение субстрата с остатком цистеина дегидрогеназы приводит к образованию тиополуацеталя, который окисляется в тиоловый эфир; атомы водорода, отщепляемые при окислении, восстанавливают связанный с ферментом НАД* до НАДН • Н⁺:

— фосфоролиз образовавшейся тиоэфирной связи происходит с присоединением неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-дифосфоглицерат и свободный фермент:

Суммарная реакция:

Таким образом, фосфоролиз позволяет потенциальную энергию окисления альдегидной группы кумулировать в макроэргической фосфатной связи 1,3-дифосфоглицерата в положении 1. Реакцию окисления глицеральдегид-3-фосфата принято называть реакцией гликолитической оксидоредукции.

7. Обратимая реакция субстратного фосфорилирования АДФ и образования АТФ, при которой происходит перенос богатого энергией фосфорильного остатка с 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Реакция катализируется фосфоглицераткиназой:

8. Обратимая реакция изомеризации 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат, катализируемая ферментом фосфоглицератмутазой:

9. Обратимая реакция енолизации, в процессе которой отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицерата приводит к образованию макроэргической связи в фосфосноилпируватс. Реакция катализируется ферментом снолазой:

10. Еще одна реакция субстратного фосфорилирования АДФ и образования АТФ, при которой происходит разрыв высокоэргической связи и перенос фосфорильного остатка от фосфоеноилпирувата на АДФ. Катализируется эта реакция ферментом пируваткиназой; реакция практически необратима:

11. Обратимая реакция восстановления пирувата до лактата (молочной кислоты) происходит в анаэробных условиях при участии фермента лактатдегилрогеназы и кофсрмснта НАДН • Н⁺:

Таким образом, в тканях, функционирующих в условиях гипоксии, наблюдается образование лактата. Это особенно справедливо в отношении скелетной мышцы, интенсивность работы которой в определенных пределах не зависит от поступления кислорода. Гликолиз в эритроцитах даже в аэробных условиях всегда завершается образованием лактата, поскольку в них отсутствуют митохондрии, содержащие ферменты аэробного окисления пирувата.

В целом последовательность реакций гликолиза представлена на рис. 18.4, молекулярные свойства гликолитических ферментов приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1. Ферменты гликолиза.

Рис. 18.4. Последовательность реакций гликолиза, его связь с аэробным окислением глюкозы, гликогенолизом, спиртовым брожением: цифры в кружке обозначают номера реакций: цифрой (2) — отмечены молекулы, представленные дважды в расчете на одну молекулу глюкозы