Гликолиз – химизм, биологическое значение, энергетический баланс.

Глюкоза играет главную роль в метаболизме, так как именно она является основным источником энергии. Глюкоза может превращаться практически во все моносахариды, однако возможно и обратное превращение. Основные пути метаболизма глюкозы:

катаболизм глюкозы – гликолиз;

синтез глюкозы – глюконеогенез;

депонирование и распад гликогена;

синтез пентоз – пентозофосфатные пути.

Гликолиз – это серия реакций, в результате которых глюкоза распадается на 2 молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две молекулы лактата (анаэробный гликолиз).

Все реакции гликолиза (10-11 реакций) протекают в цитозоле и характерны для всех органов и тканей.

Главным путем распада глюкозы, ведущим к освобождению энергии, является дихотомический путь. В реакциях этого пути получить из глюкозы энергию можно двумя путями:

1) Путем анаэробного распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Многоступенчатые реакции можно выразить суммарным уравнением: глюкоза → 2лактат + 134 кДж. Часть этой энергии расходуется на образование 2 молекул АТФ, остальная рассеивается в виде тепла.

2) Путем аэробного распада глюкозы до конечных продуктов – СО₂ и Н₂О. Глюкоза + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2850 кДж. При этом 60% образующейся энергии запасается в виде АТФ. Аэробный путь экономически выгоднее, при равных количествах используемой глюкозы, этот путь дает почти в 20 раз больше АТФ. Аэробный распад глюкозы осуществляется почти всеми тканями нашего организма, исключение – эритроциты, их жизнедеятельность поддерживается путем гликолиза.

Для злокачественных клеток основной путь получения энергии – также гликолиз. Много лактата образуется в злокачественной опухоли, которая является своеобразной «ловушкой» глюкозы. Злокачественные клетки крайне низко снабжаются кислородом и усиленно потребляют глюкозу, чтобы выработать необходимое для их бурной жизнедеятельности количество энергии.

Цепь реакций гликолиза можно расчленить на два звена. В первом звене осуществляется распад глюкозы на 2 молекулы по 3 углеродных атома каждая (подготовительная стадия). В этом отрезке цепи еще нет поставки энергии, имеется отрицательный энергетический баланс в результате расходования энергии АТФ на реакции фосфорилирования. Во втором звене гликолиза (гликолитическая оксидоредукция) осуществляется окисление 3-х углеродных молекул в пируват, который будет восстанавливаться в лактат.

Реакции гликолиза.

1-я реакция – образование глюкозо-6-фосфата.

2-я реакция – изомеризация глюкозо-6-фосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Эта реакция обратима и катализируется изомеразой.

3-я реакция – фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. В этой реакции происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.

Фосфофруктокиназа – Аллостерический фермент, имеет сложную четвертичную структуру. Его аллостерическими активаторами являются АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат. Угнетают фермент повышенные концентрации АТФ и цитрат. АТФ вначале используется как субстрат этой реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, прекращает реакцию. В последние годы было установлено, что важным аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-1,6-дифосфат.

4-я реакция – распад фруктозо-1,6-дифосфата на 2 триозы:

альдолаза

фруктозо-1,6-фф 3-ФГА + ФДА. Реакция обратима. Фермент – альдолаза, так как образующийся алкоголь (фосфодиоксиацетон) и 3-фосфоглицериновый альдегид, обратимо связываясь, образуют «альдол», т.е. фруктозо-1,6-бисфосфат.

Определение активности альдолазы используют в энзимной диагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток, так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда – в 3-10 раз. Образующийся 3-ФГА расходуется в дальнейших реакциях гликолиза, поэтому равновесие реакции смещается в сторону распада фруктозо-1,6-дифосфата. Превращение фосфодиоксиацетона в 3-ФГА осуществляет фермент триозофосфатизомераза.

5-я реакция –образование 1,3-дифосфоглицерата. В этой реакции при окислении 3-ФГА водород альдегидной группы будет переноситься на НАД⁺. Энергии выделяется достаточно и образующийся 1,3-дифосфоглицерат заключает в себя макроэргическую вязь. Реакция катализируется дегидрогеназой 3-ФГА по суммарному уравнению:

дегидрогеназа

3-ФГА + НАД⁺ + Фн 1,3-дифосфоглицерат + НАДН + Н⁺.

Фермент состоит из 4-х одинаковых субъединиц, коферментом его является НАД⁺. Реакция обратима. С этого момента количество последующих продуктов нужно удвоить, так как в предыдущей реакции образовалось 2 молекулы триозы.

6-я реакция – образование АТФ в результате субстратного фосфорилирования:

фосфоглицераткиназа

1,3-дифосфоглицерат + АДФ АТФ + 3-фосфоглицерат.

Эта реакция сопровождается выделением значительного количества свободной энергии, поэтому равновесие ее сдвинуто вправо. При избытке 3-фосфоглицерата реакция может быть обратимой. В данной реакции происходит фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

7-я реакция – изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат.

8-я реакция – образование фосфоенолпирувата. На этой стадии, катализируемой енолазой, происходит отщепление молекулы воды и перераспределение энергии внутри молекулы, при этом фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.

9-я реакция – образование АТФ в результате субстратного фосфорилирования:

пируваткиназа Мg²⁺

фосфоенолпируват + АДФ пируват + АТФ.

Это вторая реакция субстратного фосфорилирования в гликолизе; здесь фосфоенолпируват используется для образования АТФ. Реакция необратима, так как протекает в большим падением свободной энергии.

10-я реакция – образование лактата. Эта реакция катализируется ЛДГ и обратима.

Итак, гликолиз завершается образованием лактата. В мышцах молочная кислота не используется – она поступает с током крови в печень, где вновь превращается в пируват. Полезный энергетический выход гликолиза – 2 молекулы АТФ.

В дрожжевых клетках и микроорганизмах, подобных им, анаэробный распад углеводов протекает сходно с гликолизом за исключением конечных стадий. Первые стадии до образования пирувата идут одинаково. При спиртовом брожении пируват подвергается декарбоксилированию ферментом пируватдекарбоксилазой, имеющей кофермент ТПФ и требующей ионов Мд²⁺. При этом образуется уксусный альдегид, который восстанавливается в этанол алкогольдегидрогеназой с использованием НАДН₂, образовавшегося при окислении 3- ФГА в 1,3 биФГК.

Глюкоза может окисляться по дихотомическому пути и в аэробных условиях. Цепь реакций аэробного распада можно расчленить на несколько основных звеньев:

а) дихотомический распад глюкозы до стадии пирувата, полностью совпадающий с реакциями гликолиза;

б) окислительное декарбоксилирование пирувата, с образованием ацетил-КоА;

в) «сгорание» ацетил-КоА в цикле Кребса, тесно связанного с дыхательной цепью митохондрий, где в результате окислительного фосфорилирования каждый моль ацетата способствует образованию 12 молекул АТФ.