Основным катаболическим процессом деструкции глюкозы в клетках животных и человека является последовательность ряда реакций ее окисления, в результате которых в анаэробных (без участия кислорода) условиях глюкоза превращается в лактат (молочную кислоту), а в аэробных (в присутствии кислорода) – в конечные продукты распада - СО2 и Н2О.
Гликолиз (от «glycys» - сладкий и «lysis» - растворение, распад) – это последовательность ферментативных рекций, в процессе которых глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз), или лактата (анаэробный гликолиз), сопровождаясь выделением энергии АТФ. Ниже приведены реакции анаэробного (1) и аэробного (2) гликолиза с учетом всех стехиометрических коэффициентов:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 ¾¾¾¾® 2СН3СНОНСООН + 2АТФ + 2Н2О (1)
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + НАД+ ¾¾¾¾® 2СН3СОСООН + 2АТФ +
2Н2О + 2НАДН.Н+ (2)
Разделение на анаэробный и аэробный гликолиз носит чисто условный характер, поскольку первые реакции гликолиза в присутствии кислорода и без него одни и те же, отличия касаются лишь их скорости и конечных продуктов. При недостатке кислорода реокисление НАДН.Н+, образовавшегося в ходе гликолиза, осуществляется путем сопряжения с восстановлением пирувата в лактат, а в аэробных условиях НАДН.Н+ окисляется в ходе кислородзависимого фосфорилирования, результатом которого является образование большого количества АТФ.
В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме животных, растений и микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ.
В аэробных условиях реакции гликолиза, остановившиеся на стадии образования пирувата, составляют первую, начальную стадию деструкции углеводов, связанную с циклом трикарбоновых кислот (см. далее).
Весь этап гликолиза протекает в две стадии.
Первая стадия – подготовительная, или стадия активации глюкозы, которая включает пять реакций и завершается расщеплением глюкозы на две молекулы триозы – глицеральдегидфосфата (рисунок 4.7).
На первой стадии гликолиза глюкозо-6-фосфат претерпевает изомеризацию и превращается в b-D-фруктозо-6-фосфат (на схеме реакция 2), который далее фосфорилируется по первому углеродному атому с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (реакция 3). Это ключевая реакция процесса гликолиза, от которой зависит скорость всего гликолиза в целом.
Фруктозо-1,6-дифосфат подвергается далее дихотомическому распаду на две фосфотриозы (фосфоглицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат) (реакция 4), превращающиеся друг в друга (на схеме реакция 5).
В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере расходования убыль этого соединения восполняется за счет фосфодиоксиацетона, который практически полностью в него превращается. Поэтому из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата возникают две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. Все последующие реакции и их продукты удваиваются!
Вторая стадия – стадия генерации АТФ, в которой энергия окислительных реакций трансформируется в энергию химической связи АТФ по механизму реакции субстратного фосфорилирования.
Процесс синтеза богатой энергией АТФ при непосредственном участии окисляемого субстрата (в данном случае, 3-фосфоглицеринового альдегида) называетсяокислительным фосфорилированием на уровне субстрата.
На второй стадии гликолиза глицеральдегид-3-фосфат окисляется при участии фермента фосфоглицеринальдегиддегидрогеназы. В результате окисления связь между остатком фосфоглицериновой кислоты и ферментом становится макроэргической, которая спонтанно распадается в присутствии фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (рисунок 4.8, реакция 6), которая вступает далее в фосфотрансферазную реакцию с АДФ с образованием АТФ и превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту (реакция 7).
