Введение. Глюкоза является главным клеточным « топливом» при анаэробном получении энергии. Наиболее важную роль при сбраживании глюкозы играют два пути: молочнокислое и спиртовое брожение.

Анаэробное дыхание – гликолиз.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на 2 звена: в первом осуществляется осуществляется распад глюкозы на 2 триозы (подготовительная стадия), во втором – окисление триоз в пируват с восстановлением последнего в лактат (стадия гликолитической оксидоредукции).

1-я реакция:

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Фосфорилирование глюкозы гексокиназой и глюкокиназой (о значении этих ферментов см. выше) – первая регулируемая реакция процесса гликолиза. Образующийся глюкозо-6-фосфат считается аллостерическим ингибитором гексокиназы (но не глюкокиназы).

Так как глюкокиназная реакция является инсулинзависимой, можно вместо глюкозы больным диабетом назначать фруктозу (фруктоза фосфорилируется гексокиназой сразу во фруктозо-6-фосфат).

2-я реакция:

Г люкозо-6-фосфат обратимо изомеризуется во фруктозо-6-фосфат ферментом фосфогексоизомеразой.

3-я реакция:

Здесь, как и в первой реакции, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.

Эта реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой, имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфо-фруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует отметить двоякую роль АТФ – вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, – как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.

Как было установлено позже, важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-2,6-дифосфат.

4-я реакция:

Фруктозо-1,6-дифосфат

Альдолаза

СН₂―О―РО₃Н₂

│

С ═ О

│

СН₂―ОН

Диоксиацетон

фосфат

H

С ═ О

Триозофосфат-

изомераза

│

HСОH

│

СН₂―О―РО₃Н₂

3-фосфоглицериновый

альдегид (3-ФГА)

4-я реакция обратима. Катализирующий её фермент называется альдолазой, так как расщепляется альдол – фруктозо-1,6-дифосфат. Равновесие реакции сдвинуто в сторону распада фруктозо-1,6-дифосфата, поскольку образующийся 3-ФГА расходуется в дальнейших реакциях гликолиза. Именно в силу последнего обратимая триозофосфатизомеразная реакция также смещается в сторону образования 3-ФГА.

Определение активности альдолазы используют в энзимодиагностике 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, при миодистрофии – в 4-10 раз.

Таким образом, в подготовительной стадии гликолиза фактически образуется 2 молекулы 3-ФГА.

Следующая стадия гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложной.

5-я реакция.

В этой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-фосфоглице-ринового альдегида. Фермент состоит из 4-х одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Дегидрогеназа 3-ФГА нуждается также в коферменте НАД⁺.

Фермент окисляет свой субстрат (3-ФГА), перенося водород альдегидной группы 3-фосфоглицеринового альдегида на кофермент НАД⁺, который при этом восстанавливается в НАДН∙Н⁺ в присутствии неорганического фосфата. Выделяющейся при окислении 3-ФГА энергии достаточно для образования высокоэргического (т.е. заключающего в себе м а к р о э р г и ч е с к у ю связь) соединения – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК).

Образование НАДН∙Н⁺ из окисленной формы этого кофермента осуществляется в ходе реакции связывания 3-ФГА с SH-группой активного центра фермента – дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида:

CH₂O℗ CH₂O℗ CH₂O℗ CH₂O℗

│ │ НАД⁺ НАДН∙Н⁺ │ │

CHOH CHOH CHOH CHOH

│ 1 │ 2 │ 3 │

H―C═O H―C―OH C═O C═O

3-ФГА │ │ │

S S O

1,3-ДФГК

SH

6-я реакция.

Эта реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счёт энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества свободной энергии, поэтому её равновесие сдвину вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.

СН₂О―РО₃Н_{2 Mg}²₊ СН₂О―РО₃Н₂

| фосфоглицераткиназа |

Н―С―ОН + АДФ АТФ + Н―С―ОН

| |

С═О С═О

О~ РО₃Н₂ ОН

1,3-ДФКГ 3-фосфоглицерат

7-я реакция.

Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:

СН₂О―РО₃Н₂ СООН

| фосфоглицеромутаза |

Н―С―ОН + АДФ АТФ + Н―С―О―РО₃Н₂

| |

С═О СН₂ОН

ОН

3-фосфоглицерат 2-фосфоглицерат

8-я реакция.

Образование макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата (фосфоенолПВК). Реакция катализируется енолазой. Фермент отщепляет молекулу воды от 2-фосфоглицерата и перераспределяет внутримолекулярную энергию субстрата таким образом, что фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.

СООН СООН

| |

Н―С―О―РО₃Н₂ енолаза С―О~ РО₃Н₂

| ║

СН₂ОН Н₂О СН₂

2-фосфоглицерат фосфоенолопируват

9-я реакция.

Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично 6-й реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счёт энергии макроэргического субстрата – фосфоэнолпирувата.

СООН COOH

| |

С―О~ РО₃Н₂ +АДФ пируваткиназа (Mg²⁺ ) C═O + ATФ

║ |

СН₂ CH₃

Фосфоенолопируват ПВК

Реакция образования ПВК (пировиноградной кислоты) необратима, так как протекает со значительным падением свободной энергиию.

10-я реакция.

Заключительная реакция гликолиза – образование лактата. Реакция обратима. Молочная кислота образуется при восстановлении пирувата ферментом лактатдегидрогеназой (ЛДГ), коферментом которого является НАДН∙Н⁺ (образование этого кофермента см. в 5 –й реакции).

СООН СН₃

| |

С═O + НАДН∙Н⁺ Лактатдегидрогеназа Н―С―ОН + НАД⁺

| |

СН₃ СН₃

ПВК Лактат

Итак, гликолиз завершается образованием лактата. В мышцах молочная кислота не используется – она поступает с током крови в печень, где вновь превращается (благодаря обратимости ЛДГ-азной реакции) в пируват. Изоферменты лактатдегидрогеназы принимают участие в контроле гликолиза: так, в сердечной мышце преобладает ЛДГ₁, который ингибируется даже небольшими концентрациями пирувата, что затрудняет образование молочной кислоты в кардиомиоцитах и способствует дальнейшему окислению (а не восстановлению) пирувата; в скелетных мышцах преобладает изофермент ЛДГ₅, активно превращающий ПВК в лактат в анаэробных условиях.

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки, он не нуждается в участии кислорода для получения клеткой энергии. В ходе гликолиза в 2-х реакциях субстратного фосфорилирования (реакции 6-я и 9-я) образуется 4 молекулы АТФ --(напоминаем, что в реакцию вступают 2 триозы), однако в подготовительной стадии 2 молекулы АТФ расходуются (реакции 1-я и 3-я), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.

Мебрана митохондрий непроницаема для образующегося оксалацетата (ЩУК). Однако, превращаясь в яблочную кислоту при участии митохондриальной НАД⁺-зависимой малатдегидрогеназы, малат легко покидает митохондрию и в цитозоле клетки окисляется в ЩУК при участии цитоплазматической НАД⁺-зависимой малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение ЩУК в фосфоенолПВК происходит в цитозоле клетки.