3.10. Гликолиз

 

Термином гликолиз (буквально – расщепление сахара) обозначают последовательность реакций, ведущих к превращению глюкозы в пировиноградную кислоту (рис. 3–30 и 3–39). Эта последовательность, одна из основных в энергетическом метаболизме животной клетки, осуществляется как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Другое название гликолитического пути – путь Эмбдена – Мейергофа – было дано в честь двух немецких биохимиков, которые установили все этапы гликолиза в 1930–х гг.

 

Рис.3.39. Гликолиз. Обратите внимание на то, что в реакции 4 из каждой молекулы гексозы образуются две молекулы триозы, т. е. На оставшемся участке пути концентрация реагентов удваивается Закрашенными прямоугольниками выделены высокоэнергетические промежуточные продукты – ATP и  NADH

 

 

При гликолизе сначала происходит фосфорилирование глюкозы за счет АТР либо в процессе фосфоролиза гликогена (рис. 3–40), либо в реакции

 

Глюкоза + АТР  Глюкозо–6–фосфат + ADP.

 

Рис. 3.40. Фосфоролиз гликогена с образованием глюкозо–1–фосфата. (Lehninger, 1975.)

 

 

 

После превращения глюкозы (реакция 2 на рис. 3–39) во фруктозо–6–фосфат происходит повторное фосфорилирование гексозы (шестиуглеродный сахар) с образованием фруктоза– 1,6–дифосфата, на что расходуется вторая молекула АТР (реакция 3). Может показаться, что клетке невыгодно расходовать две молекулы АТР на фосфорилирование одной молекулы гексозы, поскольку цель гликолиза – синтез АТР. При более внимательном рассмотрении, однако, оказывается, что фосфорилирование глюкозы отнюдь не лишено смысла. В результате фосфорилирования молекул гексоз и триоз (трехуглеродные сахара) получают ионогенные группы, а, как мы видели в гл. 2, проницаемость мембран для полярных молекул очень мала. Таким образом, нефосфорилированная глюкоза может свободно проникать в клетку (и покидать ее), диффундируя через наружную мембрану, тогда как ее фосфорилированная форма и фосфорилированные производные «заперты» в клетке, как в ловушке. Эти две молекулы АТР, израсходованные на так называемые пусковые реакции фосфорилирования, в конечном счете восполняются, потому что на последующих этапах гликолитического пути эти фосфатные группы, а стало быть и запасенная в них химическая энергия переносятся на ADP с образованием АТР (реакция 10 на рис. 3–39), т.е. энергия фосфатных групп, затраченная в пусковых реакциях фосфорилирования, сохраняется.

Молекула фруктозo–1,6–дифосфата расщепляется в реакции 4 на две триозы – глицералъдегид–3–фосфат и диоксиацетонфосфат. Молекула последнего с помощью соответствующего фермента превращается в первую триозу, так что из каждой молекулы глюкозы получаются две молекулы глицеральдегид–3–фосфата, и обе они далее претерпевают одинаковые превращения. На этом завершается первая стадия гликолиза, на которой из одной молекулы шестиуглеродного сахара образуются две молекулы трехуглеродного глицеральдегид–3–фосфата (реакции 1–5).

Вторая стадия гликолиза начинается с окисления глицеральдегид–3–фосфата до 1,3–дифосфоглицерата (реакция 6). Эта реакция чрезвычайно важна, поскольку присоединение второй фосфатной группы к молекуле триозы позволяет сохранить энергию, которая в противном случае выделилась бы при окислении альдегидной группы. Выяснение механизма этой реакции и следующей (реакция 7), в которой происходит прямое фосфорилирование ADP субстратом с образованием АТР, расценивается как один из самых важных вкладов в современную биологию. Благодаря этим открытиям Отто Варбург с сотрудниками в конце 1930–х гг. впервые прояснил частично тот механизм, посредством которого химическая энергия окисления запасается в форме АТР. Такой способ называют фосфорилированием на уровне субстрата, или просто субстратным фосфорилированием, в отличие от фосфорилирования в дыхательной цепи.

В реакциях 8–10 происходит превращение 3–фосфоглицерата в 2–фосфоглицерат, от которого далее отщепляется вода с образованием фосфоенолпирувата, а в реакции 10 последняя отдает свою фосфатную группу молекуле ADP с образованием АТР ипировиноградной кислоты. Таким образом, гликолитический путь заканчивается образованием двух молекул пировиноградной кислоты из каждой исходной молекулы глюкозы. На фосфорилирование одной молекулы гексозы расходуются две молекулы АТР, однако из одной молекулы триозы образуются также две молекулы АТР (реакции 7 и 10). Поскольку из каждой молекулы глюкозы получаются две молекулы триозы, суммарный выход АТР при гликолизе составляют две молекулы АТР на каждую молекулу глюкозы (рис. 3–41).

 

Рис. 3.41. Расходование и образование АТР при гликолизе. Обратите внимание на то, что суммарный выход АТР составляет 2 моля АТР на 1 моль глюкозы при окислении ее до пировиноградной кислоты. (Vander et al.., 1975.)

 

 

 

В отсутствие кислорода, т. е. при анаэробном гликолизе, восстановление пировиноградной кислоты до молочной кислоты (реакция 11 на рис. 3–39) или этанола (в некоторых микроорганизмах, например в дрожжах) служит очень важной функции окисления NADH, образованного в реакции 6, обратно до NAD⁺ . В этом случае электроны от NADH акцептируются не кислородом, а пировиноградной кислотой. Без такого анаэробного окисления восстановленного кофермента образовался бы дефицит, его окисленной формы и гликолиз был бы заблокирован из–за отсутствия акцептора электронов в реакции 5 (окисление 3–фосфоглицеролового альдегида до 1,3–дифосфоглицерата) в отсутствие молекулярного кислорода. Анаэробный цикл NAD⁺  NADH,    сопряженный с реакциями 6 и  11, показан на  рис. 3–42.

Рис. 3.42. Цикл NAD⁺  NADH, сопряженный с реакциями б и 11 (рис. 3–39) при анаэробном гликолизе.

 

 

 

 

При аэробном гликолизе молекула NADH окисляется молекулярным кислородом через систему переноса электронов, которую мы обсуждали в предыдущем разделе; при этом образуются три молекулы  ATP