Гліколіз

Катаболізм вуглеводів в організмі людини включає декілька метабо­лічних шляхів і забезпечує вивільнення енергії у формі АТФ, а також утворення сполук, необхідних для синтезу інших біологічно важливих речовин. Центральним шляхом катаболізму глюкози є гліколіз, в ході якого шестивуглецева молекула глюкози розпадається до кислот (піровино­градної чи молочної), що мають по 3 атоми вуглецю в молекулі. Процес може здійснюватись в анаеробних і аеробних умовах (рис.).

В організмі людини анаеробний гліколіз з утворенням молочної кислоти (лактату) забезпечує енергією скелетні м'язи при інтенсивній роботі, коли обмежене надходження кисню до мітохондрій. У клітинах, що не мають мітохондрій (зрілі еритроцити) чи із зниженою окиснювальною здатністю (сітківка ока, сім'яники, мозкова частина нирок, злоякісні пухлини), також відбувається гліколітичне розщеплення глюкози до молочної кислоти. Але в більшості тканин організму людини має місце повне аеробне розщеплення глюкози до СО₂ і Н₂О. Гліколіз з утворенням піровиноградної кислоти є першим етапом цього процесу, специфічним для вуглеводів, а за ним іде загальний шлях катаболізму (окиснювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти, цикл лимонної кислоти, мітохондріальний дихальний ланцюг). Тканини, адаптовані до роботи в аеробних умовах (наприклад, нервова тканина, серцевий м'яз), дуже чутливі до гіпоксії.

У багатьох мікроорганізмах, що ростуть в анаеробних умовах, утворення енергії також забезпечує гліколітичний розпад вуглеводних субстратів. При цьому кінцеві продукти бувають різними: молочна кислота (молочнокислі бактерії), етанол (пивні дріжджі), гліцерин, пропіонова і масляна кислоти та ін. Процеси такого типу часто називають бродінням. Молочнокисле бродіння ідентичне анаеробному гліколізу, що має місце в скелетних м'язах людини і тварин при напруженій роботі.

Реакції гліколізу

Перетворення глюкози в молочну кислоту складається з одинадцяти послідовних ферментативних реакцій і відбувається в цитоплазмі клітин. Майже для всіх ферментів гліколізу потрібні іони Mg²⁺ як активатори.

1. У першій реакції молекула глюкози активується шляхом взаємодії з АТФ під дією гексокінази чи глюкокінази (рис.). Таким чином, катаболізм глюкози починається із використання АТФ. Властивості обох ферментів розглянуті вище. Реакція фосфорилювання глюкози незворотна та є однією з трьох регуляторних реакцій гліколізу.

2. Глюкозо-6-фосфат ізомеризується у фруктозо-6-фосфат під дією фосфоглюкоізомерази. Реакція зворотна.

3. Фруктозо-6-фосфат приєднує ще один фосфатний залишок від АТФ з утворенням фруктозо-1, 6-дифосфату в незворотній реакції, яку каталізує фосфофруктокіназа – найбільш важливий регуляторний фермент гліколізу. Активатори фосфофруктокінази – АМФ і АДФ, інгібітори – АТФ і цитрат.

4. Альдолаза каталізує розщеплення фруктозо-1, 6-дифосфату на два тріозофосфати: гліцеральдегід-3-фосфат і діоксіацетонфосфат. Реакція зворотна.

5. Утворені тріозофосфати є ізомерами і під дією тріозофосфатізомерази можуть взаємоперетворюватись. У наступній реакції гліко­лізу використовується гліцеральдегід-3-фосфат і тому діоксіацетонфосфат для дальшого перетворення повинен перейти в гліцеральдегід-3-фосфат. Ці п'ять реакцій становлять перший, підготовчий етап гліколізу, коли молекула глюкози двічі фосфорилюється за рахунок АТФ. Таким чином, на активацію молекули глюкози і підготовку її до розщеплення на дві тріози витрачується дві молекули АТФ.

6. Другий етап гліколізу починається з окиснення гліцеральдегід-3-фосфату до 1, 3-дифосфогліцеринової кислоти (1, 3-дифосфогліцерату) (рис.).

Цю окисно-відновну реакцію каталізує гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа з коферментом нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД⁺), який відновлюється. У реакції бере участь неорганічний фосфат. У ході окиснення альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату в карбоксильну більша частина вільної енергії реакції утримується в ковалентному зв'язку карбоксилу з фосфатом (високоенергетичний, або макроергічний зв'язок). Оскільки в клітині обмежена кількість НАД⁺, відновлений НАД, який утворюється в цій реакції, для участі в гліколітичному розпаді нових молекул глюкози повинен перейти назад в окиснену форму (НАД⁺). В аеробних умовах НАД окиснюється у процесі роботи дихального ланцюга за рахунок молекулярного кисню, а в анаеробних умовах – в останній реакції гліколізу (перетворенні пірувату в лактат).

7. Фосфогліцераткіназа каталізує перенесення високоенергетичної фосфатної групи 1, 3-дифосфогліцерату на АДФ і, таким чином, утворення АТФ. На відміну від синтезу АТФ шляхом окиснювального фосфорилювання (за рахунок енергії тканинного дихання), синтез АТФ, поєднаний із перетворенням високоенергетичного субстрату в продукт, називають субстратним фосфорилюванням. Фосфогліцераткіназна реакція ­зворотна.

8. Фосфогліцератмутаза каталізує зворотну реакцію перенесення фосфатної групи в молекулі 3-фосфогліцерату в положення 2.

9. Фермент енолаза каталізує дегідратацію 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату. Відщеплення води викликає перерозподіл енергії в молекулі, утворення сполуки з високоенергетичним зв'язком. Реакція зворотна.

10. Високоенергетична фосфатна група фосфоенолпірувату переноситься на АДФ з утворенням АТФ і піровиноградної кислоти. Цю реакцію субстратного фосфорилювання каталізує піруваткіназа, третій регуляторний фермент гліколізу. Активує піруваткіназу фруктозо-1, 6-дифосфат, який утворюється в третій реакції гліколізу. Інгібіторами служать АТФ, ацетил-КоА, амінокислота аланін, жирні кислоти з довгим ланцюгом. В умовах клітини піруваткіназна реакція практично незворотна.

Спадкова недостатність піруваткінази в еритроцитах зумовлює розвиток гемолітичної анемії. Як відзначалось раніше, зрілі еритроцити не мають мітохондрій і тому повністю залежать від синтезу АТФ під час гліколізу. Уроджений дефект піруваткінази викликає гальмування гліко­лізу і недостаток енергії в еритроцитах, що призводить до порушення цілісності мембран, деформації клітин та усунення їх із крові ретикуло-ендотеліальною системою.

11. В анаеробних умовах відновлений НАДН, який утворюється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату (шоста реакція), переходить у НАД⁺ шляхом перетворення пірувату в лактат. Цю реакцію каталізує лактатдегідрогеназа. Обидві окисно-відновні реакції гліко­лізу (гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназна і лактатдегідрогеназна) поєднані й утворюють внутрішньокомпенсовану систему:

Лактатдегідрогеназна реакція зворотна, і положення рівноваги сильно зміщене в бік утворення молочної кислоти, яка є кінцевим продуктом анаеробного гліколізу. Але молочна кислота – це своєрід­ний глухий кут у метаболізмі, вона може перетворитись назад у піруват шляхом обернення лактатдегідрогеназної реакції, що здійснюється в аеробних умовах.

Тому молочна кислота, яка накопичується в скелетних м'язах під час напруженої роботи, потрапляє у кров і надходить у печінку, міокард і меншою мірою в інші тканини, де перетворюється в піруват. Останній у міокарді окиснюється до СО₂ і Н₂О, а в печінці частково окиснюється, а частково перетворюється в глюкозу. Відповідне спрямування лактатдегідрогеназної реакції (в скелетних м'язах – у сторону лактату; а в міокарді – у сторону пірувату) забезпечується вмістом ізоферментів ЛДГ у даних органах. Нагадаємо, що відомо 5 ізоферментів ЛДГ, які утворені різними комбінаціями субодиниць у тетрамерній молекулі ферменту. У скелетних м'язах міститься ізофермент М₄ (ЛДГ₅), активність якого не гальмується піруватом і є вищою, ніж активність ізоферменту серця Н₄. Такі властивості ізоферменту корисні для скелетних м'язів, де при напруженій роботі різко посилюється анаеробний гліколіз. У серцевому м'язі переважає ізофермент Н₄ (ЛДГ₁), що проявляє більшу спорідненість із лактатом як субстрат, а також сильно гальмується піруватом. Це сприяє окисненню лактату в піруват, який відразу ж піддається окиснювальному перетворенню в мітохондріях. Визначення ізоферментів ЛДГ у крові використовується для діагностики захворювань.

Енергетичний баланс гліколізу

АТФ використовується для фосфорилювання глюкози і фруктозо-6-фосфату, тобто затрачаються дві молекули АТФ на одну молекулу глюкози. Оскільки молекула глюкози розпадається на дві тріози, а перетворення однієї тріози в лактат дає 2 молекули АТФ, то утворюються 4 молекули АТФ. Таким чином, чистий вихід АТФ складає 4-2=2 молекули на одну молекулу глюкози, перетворену в лактат.

Сумарне рівняння процесу таке:

Різниця у вільній енергії для глюкози і молочної кислоти становить приблизно 210 кДж/моль. У двох молях АТФ нагромаджується 70‑ 100 кДж, тому загальна ефективність анаеробного гліколізу складає 35-45 % (у клітині при фізіологічній концентрації глюкози, лактату, АТФ, АДФ і Ф_Н – приблизно 60 %). При гліколізі виділяється приблизно 7 % усієї енергії, яка може вивільнятись при повному окисненні глюкози до СО₂ і Н₂О (2880 кДж/моль). Основна частина вільної енергії зберігається в продукті гліколізу – молочній кислоті.

Регуляція гліколізу

Швидкість гліколізу визначається доступністю субстратів і енергетичним станом клітини. Субстрат (залишки глюкози) постачає гексокіназна реакція, яка включає вільну глюкозу, і фосфорилазна реакція розпаду глікогену. Активність гексокінази гальмується продуктом реакції – глюкозо-6-фосфатом. Активність фосфорилази стимулюють гормональні агенти – адреналін і глюкагон, а також АМФ та іони Са²⁺. У стресових ситуаціях адреналін різко підвищує розпад глікогену в скелетних м'язах до молочної кислоти.

Важливими регуляторними пунктами гліколізу є незворотні реакції, що каталізуються фосфофруктокіназою і піруваткіназою (рис.).

Більшість їх проявляють алостеричний тип регуляції. Розглянемо регуляцію гліколізу внутрішньоклітинною концентрацією АТФ, АДФ і АМФ, тобто енергетичним зарядом. Якщо в клітині високий рівень АТФ і відповідно низький рівень АДФ і АМФ, то активність регуляторних ферментів низька і гліколіз загальмований. Використання енергії в клітині, наприклад при активному м'язовому скороченні, висока концентрація АДФ і АМФ та низька АТФ посилюють активність гексокінази і фосфофрук­токінази. У результаті їх дії зростає концентрація глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1, 6-дифосфату, які служать активаторами піруваткінази, тобто за принципом прямого ­позитивного зв'язку забезпечують зростання швидкості власного катаболізму. Таким чином, при низьких запасах енергії в клітині гліколіз ефективно включається, а при високих – виключається.

Гліколіз також гальмується, коли в клітині є достатня кількість вищих жирних кислот, амінокислот чи цитрату й ацетил-КоА. Ці сполуки самі служать паливом для циклу лимонної кислоти і тканинного дихання, забезпечуючи клітину енергією.

І нарешті, гліколіз сповільнюється або зупиняється за наявності кисню. Це явище називається ефектом Пастера і полягає в переході від анаеробного гліколізу чи бродіння до більш ефективного способу продукції енергії – тканинного дихання з окиснювальним фосфорилюванням, що дає змогу обмежити надмірне витрачання глюкози.

Спиртове бродіння

Послідовність реакцій спиртового бродіння така ж, як і послі­довність реакцій гліколізу до утворення піровиноградної кислоти. Клітини дріжджів не мають ферменту, аналогічного ЛДГ молочнокислих бактерій чи м'язової тканини тварин, і тому відновлення пірувату до лактату в них замінено перетворенням пірувату в етанол. Спочатку піруват декарбоксилюється під дією піруватдекарбоксилази в ацетальдегід:

Кофермент піруватдекарбоксилази – тіаміндифосфат. У наступній реакції ацетальдегід відновлюється до етанолу за рахунок НАДН, який утворюється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату. Реакцію ката­лізує алкогольдегідрогеназа:

Сумарне рівняння спиртового бродіння таке:

В організмі людини спиртове бродіння відбувається в порожнині кишечника під дією ферментів дріжджоподібних організмів. За добу в кишечнику людини синтезується приблизно 1, 5 г етанолу.