2. Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной

Рис. 7-35. Превращение глюкозо-6-фосфата в триозофосфаты.

конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат (рис. 7-35).

В описанной серии реакций дважды происходит фосфорилирование с использованием АТФ. Однако расходование двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы) далее будет компенсировано синтезом большего количества АТФ.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ). Данная серия реакций показана на рис. 7-36.

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический

фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу.

Распад гликогена (гликогенолиз)

Распад гликогена или его мобилизация происходят в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Гликоген печени распадается в основном в интервалах между приёмами пищи, кроме того, этот процесс в печени и мышцах ускоряется во время физической работы.

Так же как и синтез, расщепление гликогена начинается с нередуцирующего конца полисахаридной

цепи. При этом наличие разветвлённой структуры гликогена облегчает быстрое высвобождение глюкозных остатков, так как чем больше концов имеет молекула гликогена, тем больше молекул гликогенфосфорилазы могут действовать одновременно.

Гликогенфосфорилаза расщепляет только α-1,4-гликозидные связи (реакция 1). Последовательное отщепление глюкозных остатков прекращается, когда до точки ветвления остаётся 4 мономера. Подобная особенность в действии гликогенфосфорилазы обусловлена размером и строением её активного центра.

Дальнейший распад гликогена требует участия двух других ферментов. Сначала три оставшихся до точки ветвлении глюкозных остатка переносятся при участии олигосахаридтрансферазы (реакция 2) на нередуцирующий конец соседней цепи, удлиняя её и таким образом создавая условия для действия фосфорилазы. Оставшийся в точке ветвления глюкозный остаток гидролитически отщепляется с помощью α-1,6-глюкозидазы в виде свободной глюкозы (реакция 3), после чего неразветвлённый участок гликогена может вновь атаковаться фосфорилазой.

Считают, что перенос трёх остатков глюкозы и удаление мономера из точки ветвления (реакции 2 и 3) катализирует один и тот же фермент, который обладает двумя разными ферментативными активностями - трансферазной и гликозидазной. Его называют "деветвящим" ферментом (от англ, debranching enzyme).

Продукт действия гликогенфосфорилазы - глюкозо-1-фосфат - затем изомеризуется в глюкозо-6-фосфат фосфоглюкомутазой. Далее глюкозо-6-фосфат включается в процесс катаболизма или другие метаболические пути. В печени (но не в мышцах) глюкозо-6-фосфат может гидролизоваться с образованием глюкозы, которая выделяется в кровь. Эту реакцию катализирует фермент глюкозо-6-фосфатаза. Реакция протекает в просвете ЭР, куда с помощью специального белка транспортируется глюкозо-6-фосфат. Фермент локализован на мембране ЭР таким образом, что его активный центр обращён в просвет ЭР. Продукты гидролиза (глюкоза и неорганический фосфат) возвращаются в цитоплазму также с помощью транспортных систем.

12 вопрос

I Глико́лиз (греч. glykys сладкий + lysis разрушение, распад)

ферментативный процесс анаэробного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы) в клетках человека и животных, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), основного аккумулятора химической энергии в клетке, и заканчивающийся образованием молочной кислоты (лактата). У растений и микроорганизмов процессами, аналогичными Г., являются различные виды брожения. Г. является наиболее важным анаэробным путем распада углеводов, играющим значительную роль в обмене веществ и энергии. В условиях недостаточности кислорода единственным процессом, поставляющим энергию для осуществления физиологических функций организма, оказывается Г., а в аэробных условиях Г. представляет первую стадию окислительного превращения глюкозы и других углеводов до конечных продуктов их распада — СО₂ и Н₂О. Интенсивный Г. происходит в скелетных мышцах, где он обеспечивает возможность развития максимальной активности мышечного сокращения в анаэробных условиях, а также в печени, сердце, головном мозге. Реакции Г. протекают в цитозоле.

Отдельные реакции и промежуточные продукты Г. хорошо изучены, а ферменты Г., обнаруживаемые у всех живых организмов, выделены в кристаллическом состоянии. Большинство реакций Г. обратимо, однако суммарный процесс сопровождается уменьшением свободной энергии и необратим: его равновесие смещено в сторону образования лактата.

На первой стадии Г. (табл., реакции 1—5) происходит фосфорилирование молекулы глюкозы (при этом расходуется энергия АТФ) и расщепление гексозы с образованием двух взаимопревращающихся триозофосфатов — диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. На первой стадии в Г. вовлекаются и другие простые сахара (как правило, путем превращения в глюкозо-6-фосфат), а также полисахариды. Образование фосфорных производных сахаров способствует превращению циклических форм сахаров в более реакционно-способные формы — ациклические. Гликолитическое расщепление Гликогена, осуществляемое главным образом в мышцах и печени, называется гликогенолизом. Первой реакцией гликогенолиза является фосфоролиз гликогена при участии фермента гликогенфосфорилазы с образованием глюкозо-1-фосфата, в реакции, катализируемой фосфоглюкомутазой, превращающегося в глюкозо-6-фосфат, который затем подвергается дальнейшим гликолитическим превращениям. У растений субстратом Г. может служить крахмал.

Вторая стадия Г. (табл., реакции 6—11) является общей для всех сахаров, участвующих в Г., и состоит в превращении глицеральдегид-3-фосфата в лактат. Центральным звеном этой стадии является гликолитическая оксидоредукция, включающая окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с аккумуляцией энергии в виде АТФ в процессе фосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) на уровне субстрата. Энергия, высвобождающаяся в результате превращения глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат (табл., реакции 6, 7), запасается в виде макроэргических фосфатных связей АТФ. Образование АТФ происходит также при разрыве макроэргической фосфатной связи фосфоенолпировиноградной кислоты (фосфоенолпирувата) и переносе фосфорильного остатка на АДФ. Внутренний окислительно-восстановительный цикл Г. завершается восстановлением пировиноградной кислоты или пирувата (α-кетопропионовой кислоты). Эта простейшая кетокислота занимает центральное место в превращении углеводов и участвует в обмене аминокислот (Аминокислоты) в качестве субстрата трансаминирования. В аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию при участии пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса с образованием ацетил-кофермента А (ацетил-КоА); это превращение является одной из стадий тканевого дыхания, итогом которой служит включение углеводов в цикл трикарбоновых кислот в качестве энергетического субстрата. Ацетил-КоА участвует также в метаболизме липидов (см. Жировой обмен) и других физиологически важных соединений (например, ацетилхолина).

Завершающей реакцией Г. является катализируемое ферментом лактатдегидрогеназой (Лактатдегидрогеназа) превращение пирувата в лактат (α-оксипропионовую кислоту). Т.о., с учетом затрат АТФ на первой стадии Г. и образования АТФ на второй стадии балансовое уравнение гликолиза из глюкозы и гликогена — (глюкоза)_n — выглядит следующим образом:

глюкоза (С₆Н₁₂О₆) + 2Ф_неорг + 2АДФ = 2лактат (С₃Н₆О₃) +2 АТФ;

(глюкоза)_n + 3Ф_неорг. + 3АДФ = 2лактат + (глюкоза) _n-1, где Ф_неорг. — неорганический фосфат. При полном аэробном расщеплении одной молекулы глюкозы (через стадию образования ацетил-КоА из пирувата) образуется 38 молекул АТФ.

В процессе Г. происходят три практически необратимые реакции (табл., реакции 1, 3, 10), поэтому синтез глюкозы в гликолитическом пути невозможен. В связи с этим синтез глюкозы и других углеводов из неуглеводных предшественников (продуктов Г., аминокислот и других соединений), называемый глюконеогенезом (устаревшее реакция Пастера — Мейергофа), происходит в обход необратимых реакций Г. с использованием альтернативных, термодинамически благоприятных путей. Вследствие практической необратимости реакции, катализируемой пируваткиназой, фосфорилирование пирувата достигается за счет обходных реакций. Вначале происходит карбоксилирование пирувата в митохондрнях за счет энергии АТФ и при участии митохондриального фермента пируваткарбоксилазы Образовавшаяся щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат), которая не способна проникать через мембрану митохондрий для участия в последующих реакциях глюконеогенеза, происходящих в цитозоле, восстанавливается с образованием яблочной кислоты (малата) за счет восстановительных эквивалентов НАД․Н в реакции, катализируемой митохондриальной малатдегидрогеназой. Малат диффундирует в цитозоль, где окисляется при участии НАД⁺ и малатдегидрогеназы цитозоля с образованием внемитохондриального оксалоацетата. Последний подвергается декарбоксилированию и фосфорилированию при участии гуанозинтрифосфата (ГТФ) и фермента пируваткарбоксикиназы образованием фосфоенолпирувата. Т.о., на образование 1 молекулы фосфоенолпирувата из пирувата расходуется по 1 молекуле АТФ и ПФ. У некоторых животных, растений и микроорганизмов обнаружены альтернативные пути образования фосфоенолпирувата из пирувата, в частности прямой одностадийный процесс. В результате обращения реакций Г. 2 молекулы фосфоенолпирувата превращаются к 1 молекулу фруктозо-1,6-дифосфата, из которого в обход фосфофруктокиназной реакции Г., путем необратимого гидролиза фосфатной группы в положении 1 при участии фермента фруктозодифосфатазы образуется фруктозо-6-фосфат. Образующийся из него глюкозо-6-фосфат в обход гексокиназной реакции Г. дефосфорилируется с образованием свободной глюкозы при участии фермента глюкозо-6-фосфатазы или в результате фосфоглюкомутазной реакции превращается в глюкозо-1-фосфат — ключевое промежуточное соединение в биосинтезе моно- и дисахаридов, гликогена, крахмала, структурных полисахаридов. Балансовое уравнение образования глюкозы (глюконеогенеза) из пирувата выглядит следующим образом: 2пируват (СН₃СОСООН) + 2НАД․Н + 2Н⁺ + 4АТФ + 2ГТФ = глюкоза (С₆Н₁₂О₆) + 2НАД⁺ + 4АДФ +2ГДФ + 6Ф_неорг.. Наряду с пируватом предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть любые соединения, превращающиеся в процессе катаболизма в пируват или в промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (см. Обмен веществ и энергии), а также образующийся при гидролизе жиров глицерин.

Скорость Г. и ее координация со скоростями других метаболических процессов, в первую очередь глюконеогенеза и цикла трикарбоновых кислот, обеспечивается действием разнообразных регуляторных механизмов. Общая скорость Г. определяется доступностью субстрата, использованием АТФ и концентрацией ферментов Г. Существенную роль в регуляции скорости Г. на уровне ферментов играют приведенные выше три практически необратимые реакции Г. Наиболее важным лимитирующим скорость Г. ферментом является фосфофруктокиназа, активность которой ингибируется АТФ, НАД․Н, лимонной кислотой (цитратом) и жирными кислотами и стимулируется АДФ и АМФ, Активности гексокиназы и пируваткиназы также регулируются (по принципу обратной связи) АДФ, АТФ, промежуточными продуктами Г. и цикла трикарбоновых кислот. Основными пунктами контроля глюконеогенеза на уровне ферментов является регуляция реакций, катализируемых пируваткарбоксилазой (активация ацетил-КоА) и фруктозодифосфатазой (ингибирование АМФ и активация АТФ), т.е. глюконеогенез зависит от наличия избытка субстрата дыхания и энергии для синтеза глюкозы. У животных и человека в регуляции Г. принимают участие Гормоны. Так, Инсулин осуществляет контроль за Г. на генетическом уровне, являясь индуктором образования ключевых ферментов Г. (гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы) и репрессором синтеза ферментов глюконеогенеза. Противоположным действием обладают катехоламины, глюкагон, АКТГ (в печени) и паратгормон (в почках).

В клетке осуществляется тонкая регуляция окислительного и анаэробного обмена. Регуляторным механизмом поддержания энергетического баланса клеток за счет переключения их с Г., или брожения, на тканевое дыхание — более экономный путь получения энергии при расщеплении углеводов с использованием более разнообразных субстратов — является эффект Пастера, который заключается в снижении скорости или полном прекращении Г. в присутствии кислорода. Эффект Пастера типичен для факультативно анаэробных клеток, способных как к Г. (брожению), так и к дыханию, и наблюдается у многих микроорганизмов, растений и животных.

Интенсивность Г. в аэробных условиях (так называемого аэробного Г.) обычно невелика, и ее повышение обычно свидетельствует о нарушении клеточного метаболизма. В норме интенсивный аэробный Г. обнаружен в эритроцитах, где количество образующегося лактата в аэробных и анаэробных условиях почти одинаково, а также в эмбриональной, регенерирующей тканях и ткани некоторых злокачественных опухолей. В клетках злокачественных опухолей наблюдается эффект Пастера, но в аэробных условиях образование лактата в них подавляется не полностью; интенсивность аэробного Г. в опухолевых клетках значительна (на счет аэробного Г. относят до 50% образующейся энергии). Результатом эффекта Пастера является резкое снижение скорости потребления глюкозы и отсутствие накопления лактата, поскольку образующийся в процессе гликолиза НАД-Н окисляется не пируватом, а с помощью так называемого глицерофосфатного челночного механизма (глицерол-3-фосфат — диоксиацетонфосфат) и ферментов дыхательной цепи переноса электронов. В опухолевых клетках накопление лактата происходит и в аэробных условиях, несмотря на нормальное функционирование цикла трикарбоновых кислот и дыхательной цепи, что обусловлено снижением активности цитоплазматической глицерол-3-фосфатдегидрогеназы и неэффективностью функционирования глицерофосфатного челночного механизма.

Механизмы эффекта Пастера до конца не выяснены. Установлено, что угнетение Г. осуществляется под действием дыхания, сопряженного с окислительным фосфорилированием. К основным механизмам эффекта Пастера относят ингибирование фосфофруктокиназы продуктами аэробною окисления (АТФ, цитратом), конкуренцию между Г. и дыханием за АДФ и неорганический фосфат, используемых для синтеза АТФ. В клетках, характеризующихся высоким уровнем аэробного Г. (например, в опухолевых клетках), наблюдают «обратный эффект Пастера», или эффект Крабтри, — торможение дыхания глюкозой. При этом дефицит образования АТФ количественно восполняется за счет Г.

Клинические признаки преобладания Г. над аэробным распадом углеводов наблюдаются при гипоксических состояниях, обусловленных нарушениями кровообращения и дыхания, высотной болезнью, анемией, наркозом, тяжелой физической нагрузкой, местным нарушением кровообращения, снижением активности тканевых окислительных ферментов, при некоторых инфекционных болезнях и интоксикациях, гиповитаминозах, сахарном диабете, поражениях паренхимы печени.

Для характеристики интенсивности протекания Г. используют определение концентрации в биологическом материале продуктов Г. пирувата и лактата, а также определение активности ферментов Г., например лактатдегидрогеназы.

При некоторых физиологических и патологических состояниях отмечают изменение содержания пирувата в биологических жидкостях и тканях человека. В крови здоровых людей, главным образом в форменных элементах, содержится 0,5—1 мг/100 мл пирувата. Содержание пирувата в моче в норме составляет 2 мг/100 мл, суточное выведение его с мочой — 10—25 мг. Накопление пирувата происходит после массивной нагрузки организма глюкозой, при гипоксии, тяжелой мышечной работе. Повышение содержания пирувата в крови (пируватемия) наблюдают при гиповитаминозе В₁ тяжелой сердечной недостаточности, ревмокардите, болезнях печени и почек, заболеваниях легких, инфекционных болезнях, злокачественных новообразованиях, сахарном диабете, интоксикациях и др. При тяжелой почечной недостаточности и в ряде других случаев повышается выведение пирувата с мочой. Количественное определение пирувата проводят обычно колориметрическими методами, основанными на его взаимодействии с нитропруссидом натрия, α- или β-нафтолом, 2,4-динитрофенилгидразином, салициловым альдегидом и др. Наиболее чувствительным является ферментативный метод определения пирувата по его восстановлению в присутствии НАД․Н и фермента лактатдегидрогеназы с регистрацией скорости окисления НАД․Н спектрометрически при длине волны 340 нм.

Содержание лактата в крови человека в норме должно быть ниже 1 ммоль/л. Оно возрастает при патологических состояниях, сопровождающихся усилением мышечных сокращений (эпилепсии, столбняке, тетании и др.), гипоксических состояниях (сердечной или легочной недостаточности, анемии и др.), злокачественных новообразованиях, острым гепатите, интоксикациях, сахарном диабете в стадии декомпенсации. Повышение концентрации лактата в крови, как правило, связано с усилением его образования в мышцах и уменьшением превращения глюкозы в гликоген в печени. При интенсивной мышечной работе содержание лактата в крови может возрастать в 5—10 раз. Наследственно обусловленное накопление лактата в крови (лактацидоз) проявляется у детей раннего возраста клинической картиной ацидоза, выраженными дыхательными нарушениями. У больных детей отмечают задержку психомоторного развития, мышечную гипотонию, однако с возрастом часто наступает улучшение.

Образование лактата в организме тесно связано с образованием пирувата. Их количественное соотношение характеризует соотношение гликолитического и окислительного превращений углеводов. В крови здоровых людей величина отношения пируват/лактат в среднем равна 10 (9,3—14,3), а ее изменение свидетельствует о нарушении нормального метаболизма.

Для определения лактата в крови используют ряд колориметрических методов. Наиболее широко в исследовании нарушений углеводного метаболизма применяют метод Баркера — Саммерсона, основанный на том, что из лактата в присутствии серной, фосфорной кислот и солей меди образуется уксусный альдегид, который реагирует с n-оксидифенилом с образованием окрашенного в фиолетовый цвет соединения. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации лактата в пробе. Наиболее точным и чувствительным методом определения лактата является ферментативный метод, основанный на дегидрировании лактата в присутствии лактатдегидрогеназы и НАД со спектрофотометрической регистрацией количества образовавшегося НАД․Н.

Библиогр.: Рахимов К.Р. и Демидова А.И. Углеводы и механизмы их усвоения, Ташкент, 1986; Уайт А. и др. Основы биохимии, пер. с англ., т. 2, М., 1981.

II Глико́лиз (глико- (Глик-) + греч. lysis распад, разрушение, растворение)

ферментативный процесс расщепления глюкозы, протекающий без потребления кислорода, приводящий к образованию молочной кислоты и сопровождающийся образованием АТФ; Г. является источником энергии в анаэробных условиях, например в работающей скелетной мышце.

13 вопрос