Гликолиз

Глико́лиз, или путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса[1] (от греч. γλυκός — сладкий и греч. λύσης — расщепление) — процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. Гликолиз состоит из цепи последовательных ферментативных реакций и сопровождается запасанием энергии в форме АТФ и НАДH. Гликолиз является универсальным путём катаболизма глюкозы и одним из трёх (наряду с пентозофосфатным путём и путём Энтнера — Дудорова) путей окисления глюкозы, встречающихся в живых клетках. Реакция гликолиза в суммарном виде выглядит следующим образом:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАД*H + 2Н+ + 2АТФ + 2Н2O[2].

Кислород не требуется для протекания гликолиза. В аэробных условиях пировиноградная кислота далее декарбоксилируется, соединяется с коферментом А и вовлекается в цикл Кребса. В анаэробных условиях (при гипоксии) пируват восстанавливается до молочной кислоты либо претерпевает дальнейшие превращения в ходе брожения[3][4].

Общий обзор
Схема гликолиза

Распад шестиуглеродного сахара глюкозы на две молекулы трёхуглеродного пирувата осуществляется в 10 стадий, первые 5 которых составляют подготовительный этап с затратой АТФ, а 5 последующих — этап, сопряжённый с образованием АТФ. Все сахара и их производные, образующиеся при гликолизе, являются D-изомерами. В ходе реакций гликолиза глюкоза сначала фосфорилируется по гидроксильной группе при шестом атоме углерода (C-6), давая глюкозо-6-фосфат (стадия 1). Глюкозо-6-фосфат затем изомеризуется в фруктозо-6-фосфат (стадия 2), который вновь фосфорилируется, на этот раз по гидроксильной группе при первом атоме углерода, при этом образуется фруктозо-1,6-бисфосфат (стадия 3). В ходе обеих этих реакций фосфорилирования донором фосфорильной группы является АТФ. Далее фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две трёхуглеродные молекулы — дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат (стадия 4), эта стадия и дала название всему пути. Дигидроксиацетонфосфат изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат (стадия 5), так что к концу подготовительного этапа из глюкозы образуется 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые в дальнейшем претерпевают одинаковые превращения. Изомеризация на стадии 2 необходима для дальнейшего фосфорилирования, а также разрыва связи С—С на стадии 4, как будет подробнее показано в дальнейшем. При этом в подготовительной стадии гликолиза расходуется 2 молекулы АТФ, что увеличивает свободную энергию промежуточных соединений пути[5].

Энергетическую выгоду даёт второй этап гликолиза, сопряжёный с образованием АТФ. Каждая из двух молекул глицеральдегид-3-фосфата окисляется и фосфорилируется фосфорной кислотой (а не АТФ), образуя 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту (стадия 6). Выделение энергии происходит при превращении двух молекул 1,3-бисфосфоглицерата в две молекулы пирувата (стадии 7—10), и большая часть этой энергии запасается при присоединении фосфатной группы к четырём молекулам АДФ с образованием четырёх молекул АТФ. Суммарный выход составляет 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы, поскольку 2 молекулы АТФ расходуются в подготовительном этапе. Кроме того, во втором этапе гликолиза часть энергии запасается при образовании двух молекул восстановленного НАДH на одну молекулу глюкозы[4].

Таким образом, гликолиз включает в себя химические перестройки следующего типа:

  • расщепление шестиуглеродного скелета глюкозы на два трёхуглеродных пирувата;
  • фосфорилирование АДФ до АТФ, осуществляемое при отрыве фосфата от соединений с высоким потенциалом переноса фосфата, образующихся при гликолизе (таким образом, АТФ при гликолизе образуется за счёт субстратного фосфорилирования, в отличие от окислительного фосфорилирования дыхательной цепи, где АТФ образуется за счёт переноса электронов и протонов по цепи переносчиков[6]);
  • перенос иона Н+ к НАД+ с образованием восстановленного НАДН[4].

Итак, суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАДH + 2Н+ + 2АТФ + 2Н2O[2].

Значение фосфорилирования промежуточных соединений

Каждое из 9 промежуточных соединений на пути от глюкозы к пирувату содержат остатки ортофосфорной кислоты. По-видимому, фосфатные группы в этом случае выполняют следующие 3 функции:

  • Поскольку в клеточной мембране, как правило, отсутствуют белки-переносчики для фосфорилированных сахаров, фосфорилированные промежуточные соединения, а также глюкозо-6-фосфат не могут покинуть клетку. После первоначального фосфорилирования для удержания внутри клетки фосфорилированных соединений больше не нужно дополнительной энергии, несмотря на большую разницу между внутри- и внеклеточной концентрацией этих соединений.
  • Фосфатные группы необходимы для хранения метаболической энергии. Энергия, которая потенциально может быть высвобождена при гидролизе фосфоангидридных связей (например, в АТФ), частично запасается при образовании эфиров фосфорной кислоты, например, глюкозо-6-фосфата. В дальнейшем высокоэнергетические соединения, содержащие фосфатную группу и образующиеся в ходе гликолиза (1,3-бисфосфоглицерат и фосфоенолпируват), выступают в качестве доноров фосфорильной группы при образовании АТФ из АДФ.
  • Энергия связывания фосфатных групп с активными центрами ферментов снижает энергию активации и увеличивает специфичность ферментативных реакций. Фосфатные группы АДФ, АТФ и промежуточных продуктов гликолиза образуют комплексы с ионами Mg2+. Места связывания субстрата многих ферментов специфичны к этим комплексам. Для активности большинства ферментов гликолиза необходим Mg2+[7].

Механизм

Этап 1: подготовительный этап

На подготовительном этапе гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на два триозофосфата. При этом затрачиваются две молекулы АТФ[7]. Подготовительный этап гликолиза включает 5 реакций, которые подробно описаны ниже.

Стадия 1: фосфорилирование глюкозы

В первой реакции гликолиза происходит активация молекулы глюкозы путём её фосфорилирования по шестому атому углерода (С-6) с образованием глюкозо-6-фосфата, при этом донором фосфорильной группы выступает АТФ[8]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
ГексокиназаMg2+−16,7

Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой (в клеточных условиях гексокиназа неспособна осуществлять обратную реакцию). Он относится к группе киназ — ферментов, катализирующих перенос терминальной фосфорильной группы с АТФ на акцептор — нуклеофил. В случае гексокиназы акцептором является гексоза, как правило, D-глюкоза, хотя в некоторых тканях гексокиназа также может катализировать фосфорилирование и других распространённых гексоз, например, D-фруктозы и D-маннозы[8] (подробнее см. ниже).

Ион магния «закрывает собой» часть отрицательного заряда фосфатных групп АТФ

Как и многим другим киназам, гексокиназе для активности необходимо присутствие ионов Mg2+, поскольку собственно субстратом для этого фермента является не АТФ4-, а комплекс MgАТФ2-. Ион магния «закрывает собой» часть отрицательного заряда фосфатных групп АТФ, делая терминальный атом фосфора более доступным для нуклеофильной атаки гидроксильной группой глюкозы. При связывании с глюкозой гексокиназа значительно изменяет конфигурацию, два её домена при связывании с АТФ сближаются друг с другом на 8 Å. Такое сближение подводит связанный с ферментом АТФ ближе к молекуле глюкозы, также с ним связанной, а также блокирует вход в активный центр воды из раствора, которая в противном случае гидролизовала бы фосфоангидридные связи в молекуле АТФ. Как и другие 9 ферментов гликолиза, гексокиназа является растворимым цитозольным белком[8].

Человеческий геном кодирует 4 различные гексокиназы (I—IV), которые катализируют одну и ту же реакцию (два и более фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но кодируемые разными генами, называются Изоферментами). Гексокиназа IV, также называемая глюкокиназой, присутствует в гепатоцитах и отличается от других гексокиназ некоторыми кинетическими и регуляторными свойствами и играет важную физиологическую роль[8].

Стадия 2: изомеризация глюкозо-6-фосфата

Фермент фосфогексозоизомераза, или фосфоглюкозоизомераза катализирует обратимую изомеризацию глюкозо-6-фосфата (альдозы) во фруктозо-6-фосфат (кетозу)[8]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
Фосфогексозоизомераза,
или глюкозоизомераза		Mg2+1,7

Механизм этой реакции включает в себя образование промежуточного енодиольного соединения. Эта реакция одинаково хорошо идёт в обоих направлениях, как и можно было предположить из её небольшого ΔG′о. Эта изомеризация играет ключевую роль для всех последующих превращений гликолиза, поскольку перестройка карбонильной и гидроксильной групп при С-1 и С-2 необходима для следующих двух стадий. Для фосфорилирования, происходящего в следующей стадии, необходимо, чтобы при С-1 карбонильная группа была перестроена в гидроксильную, а для четвёртой стадии — разрыва связи между С-3 и С-4 — необходимо наличие карбонильной группы при С-2[8].

Стадия 3: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата

В третьей реакции гликолиза, протекающей с затратой АТФ, фермент фосфофруктокиназа-1 катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ на фруктозо-6-фосфат с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата[8]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
Фосфофруктокиназа-1Mg2+−14,2

В клеточных условиях фосфофруктокиназа не может осуществлять эту реакцию в обратном направлении, и эта реакция является первой реакцией, продукт которой (фруктозо-1,6-бисфосфат) участвует только в дальнейших реакциях гликолиза, потому что глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут участвовать и в других[каких?] процессах[9].

У некоторых, как правило анаэробных, бактерий и протистов фосфофруктокиназа в качестве донора фосфорильной группы для образования фруктозо-1,6-бисфосфата использует пирофосфорную кислоту (PPi), а не АТФ:

Фруктозо-6-фосфат + PPi → фруктозо-1,6-бисфосфат + Pi, ΔG′о = −2,9 кДж/моль, реакция идёт в присутствии Mg2+[9].

В растительных клетках имеется как АТФ-зависимая фосфофруктокиназа, так и пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа (реакция, катализируемая последней, обратима)[10]. Пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа локализована в цитозоле и активируется в условиях стресса, при дефиците АТФ (например, при аноксии) и фосфорном голодании[11].

Фосфофруктокиназа-1 регулируется аллостерически. Её активность увеличивается, когда клеточные запасы АТФ истощаются, а продукты распада АТФ (АДФ и АМФ) накапливаются. Напротив, при наличии достаточного количества АТФ и других[каких?] ресурсов её активность подавляется. У некоторых организмов фруктозо-2,6-бисфосфат является потенциальным аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы 1. Косвенным образом активность этого фермента увеличивает также рибулозо-5-фосфат (промежуточное соединение пентозофосфатного пути, другого пути окисления глюкозы)[9] (подробнее о регуляции ферментов гликолиза см. ниже).

Стадия 4: расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата

Фермент фруктозо-1,6-бисфосфатальдолаза, или просто альдолаза, катализирует обратимую альдольную конденсацию. Фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на два различных триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат (альдозу) и дигидроксиацетонфосфат (кетозу)[9]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
Альдолаза23,8

Существуют 2 класса альдолаз. Альдолазы класса I имеются у животных и растений, их работа сопровождается образованием промежуточного основания Шиффа. Альдолазы класса II имеются у грибов и бактерий, при их работе промежуточных оснований Шиффа не образуется. Вместо этого ион цинка в активном сайте фермента связывается с атомом кислорода карбонильной группы при С-2. Ион Zn2+ поляризует карбонильную группу и стабилизирует енольное промежуточное соединение, образующееся при разрыве связи С—С[12].

Хотя реакция, катализируемая альдолазой, имеет положительную ΔG′о в направлении расщепления фруктозо-1,6-бисфосфата, при низких концентрациях реагентов, имеющихся в клетке, реальное изменение свободной энергии мало и альдолазная реакция обратима. В обратном направлении альдолазная реакция идёт при глюконеогенезе[12].

Стадия 5: изомеризация триозофосфатов

Лишь один из двух продуктов альдолазной реакции — глицеральдегид-3-фосфат — может участвовать в дальнейших превращениях гликолиза. Другой продукт — дигидроксиацетонфосфат — быстро и обратимо переводится в глицеральдегид-3-фосфат ферментом триозофосфатизомеразой[12]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
Триозофосфатизомераза7,5

Механизм этой реакции схож с механизмом реакции, катализируемой фосфогексозоизомеразой на стадии 2. Таким образом, обе «половины» глюкозы превращаются в глицеральдегид-3-фосфат[13]. Эта реакция завершает подготовительный этап гликолиза. К его концу молекула глюкозы, фосфорилированная по С-1 и С-6, расщепляется на две молекулы глицеральдегид-3-фосфата[13].

Этап 2: синтез АТФ

Второй этап гликолиза содержит стадии, в которых часть химической энергии молекулы глюкозы запасается в виде АТФ за счёт субстратного фосфорилирования АДФ, а также образования НАДH. Две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, образовавшиеся в ходе подготовительного этапа гликолиза, во втором этапе подвергаются одинаковым превращениям. В конечном счёте каждая из них переводится в пируват, при этом образуется 4 молекулы АТФ. Однако суммарный выход АТФ в гликолизе составляет 2 молекулы, так как 2 молекулы АТФ расходуются в подготовительном этапе[13].

Стадия 6: окисление глицеральдегид-3-фосфата

В первой реакции второго этапа гликолиза молекула глицеральдегид-3-фосфата окисляется и фосфорилируется в 1,3-бисфосфоглицерат, эта реакция катализируется глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой[13]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа6,3

Это первая из двух энергозапасающих реакций, продукты которых в дальнейшем участвуют в образовании АТФ. Альдегидная группа глицеральдегид-3-фосфата окисляется, но не до свободной карбоксильной группы, а до ангидрида карбоновой кислоты с фосфорной кислотой. Ангидрид такого типа — ацилфосфат — имеет очень высокую стандартную энергию гидролиза (ΔG′о = −49,3 кДж/моль). Большая часть свободной энергии окисления альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата запасается при образовании ацилфосфатной группы при С-1 1,3-бисфосфоглицерата[14].

В ходе этой реакции глицеральдегид-3-фосфат ковалентно связан с дегидрогеназой. Альдегидная группа глицеральдегид-3-фосфата взаимодействует с группой —SH остатка цистеина в активном центре фермента. Когда глицеральдегид-3-фосфат находится в связанном состоянии, NAD+, также находящийся в активном центре фермента, забирает протон от С-1, в результате чего там образуется кетогруппа. К первому же атому на место связи с атомом серы цистеина присоединяется неорганический фосфат HOPO3-, и протон с фосфата высвобождается во внешнюю среду. Таким образом, после этой реакции образуется 1,3-бисфосфоглицерат и NADH + Н+[14].

Количество NAD+ в клетке (< 10−5 М) гораздо меньше, чем количество глюкозы, расщеплямой за несколько минут. Если NADH, образующийся на этой стадии гликолиза, не будет постоянно расходоваться (то есть окисляться), то гликолиз останавливается[15].

Стадия 7: перенос фосфатной группы с 1,3-бисфосфоглицерата на АДФ

Фермент фосфоглицераткиназа переносит высокоэнергетическую фосфорильную группу с карбоксильной группы 1,3-бисфосфоглицерата на АДФ, в результате чего образуются АТФ и 3-фосфоглицерат[15]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
ФосфоглицераткиназаMg2+−18,5

Этот фермент получил своё название за обратную реакцию, при которой происходит перенос фосфатной группы с АТФ на 3-фосфоглицерат. Он катализирует оба направления реакции. Реакцию фосфорилирования 3-фосфоглицерата он катализирует при глюконеогенезе и при фотосинтетическом поглощении СО2[16].

Стадии 6 и 7 гликолиза с энергетической точки зрения рассматриваются вместе[кем?] и образуют единый процесс, при котором 1,3-бисфосфоглицерат является промежуточным продуктом. Он образуется при первой из этих реакций (которая сама по себе эндергоническая), а его фосфатная группа переносится на АДФ при второй, строго экзергонической, реакции. Суммарное уравнение процесса, объединяющего стадии 6 и 7, выглядит следующим образом:

Глицеральдегид-3-фосфат + ADP + Pi + NAD+ ⇌ 3-фосфоглицерат + ATP + NADH + Н+, ΔG′о = −12,2 кДж/моль[16].

Поэтому стадии 6 и 7 вместе составляют экзергонический процесс. Обе эти реакции обратимы при клеточных условиях, и составляемый ими процесс обеспечивает запасание энергии, образовавшейся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, в форме АТФ при его образовании из АДФ и фосфорной кислоты. Образование АТФ при переносе фосфорильной группы с субстрата (в данном случае — 1,3-бисфосфоглицерата) на АДФ получило название субстратного фосфорилирования, в отличие от окислительного фосфорилирования, происходящего в дыхательной цепи. При субстратном фосфорилировании участвуют растворимые ферменты и химические промежуточные соединения (в данном случае — 1,3-бисфосфоглицерат), а в окислительном фосфорилировании задействованы мембранно-связанные белки, и АТФ образуется за счёт трансмембранного протонного градиента[16].

Стадия 8: превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат

Фермент фосфоглицератмутаза катализирует обратимый перенос фосфорильной группы с С3 на С2 глицерата, приводящий к образованию 2-фосфоглицериновой кислоты. Для этой реакции необходим Mg2+[16]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
ФосфоглицератмутазаMg2+4,4

Реакция осуществляется в два этапа. Вначале фосфорильная группа, связанная с остатком гистидина в активном центре фосфоглицератмутазы, замещает собой атом водорода в гидроксильной группе при С2 углероде 3-фосфоглицерата, образуя 2,3-бисфосфоглицерат, который связывается другим гистидиновым остатком. Фосфорильная группа при С3 углероде 2,3-бисфосфоглицерата после этого перемещается на остаток гистидина, с которым был связан фосфат, перенесённый на С2, а её место замещается протоном, связанным со вторым остатком гистидина. Таким образом, к концу такого цикла образуется 2-фосфоглицерат, а фермент фосфорилируется[17].

Стадия 9: дегидратация 2-фосфоглицерата

Во второй реакции гликолиза, в которой образуется соединение с более высоким потенциалом для перенесения фосфата (первой была стадия 6), фермент енолаза катализирует обратимое элиминирование воды (дегидратацию) из молекулы 2-фосфоглицерата, в результате которого образуется фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП)[18]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
ЕнолазаMg2+7,5

Механизм реакции, катализируемой енолазой, включает стабилизацию промежуточного продукта ионами Mg2+. В ходе этой реакции соединение с относительно низким потенциалом для транспорта фосфата (ΔG′о при гликолизе 2-фосфоглицерата составляет −17,6 кДж/моль) в соединение с высоким потенциалом для транспорта фосфата (ΔG′о при гликолизе ФЕП составляет −61,9 кДж/моль)[18].

Стадия 10: перенос фосфата с ФЕП на АДФ

В последней реакции гликолиза происходит перенос фосфорильной группы с фосфоенолпирувата на АДФ, катализируемый пируваткиназой, для работы которой необходимы ионы К+ и Mg2+ или Mn2+[18]:

ФерментКофакторИзменение свободной энергии
(ΔG′о, кДж/моль)
ПируваткиназаК+,
Mg2+/Mn2+		−31,4

Таким образом, эта реакция представляет собой субстратное фосфорилирование. Её продукт — пируват — вначале образуется в енольной форме, которая затем быстро таутомеризуется в кето-форму, которая преобладает при pH = 7 (то есть в клеточных условиях)[18].

Суммарно эта реакция имеет большое отрицательное изменение свободной энергии из-за спонтанной конверсии енольной формы пирувата в кето-форму. Около половины энергии, выделившейся при гидролизе ФЕП (ΔG′о = −30,5 кДж/моль), запасается при образовании фосфоангидридной связи в АТФ (ΔG′о = −30,5 кДж/моль), а остальная энергия (-31,4 кДж/моль) составляет мощную движущую силу для направления этой реакции в сторону образования АТФ[18].

Энергетика

С энергетической точки зрения в гликолизе можно выделить 2 процесса:

1) Превращение глюкозы в пируват — энергетически выгодный процесс:

Глюкоза + 2NAD+ → 2 пируват + 2NADH + 2Н+, ΔG′1 = −146 кДж/моль[7];

2) Образование ATP из ADP и 2Pi — энергетически невыгодный процесс:

2ADP + 2Pi → 2ATP + 2Н2O, ΔG′2 = 2(30,5 кДж/моль) = 61,0 кДж/моль[7];

Общее изменение энергии Гиббса при гликолизе ΔG′s составляет:

ΔG′s = ΔG′1 + ΔG′2 = −146 кДж/моль + 61 кДж/моль = −85 кДж/моль[7].

Поэтому при нормальных условиях, а также клеточных условиях (отличных от нормальных) гликолиз является в значительной мере необратимым процессом благодаря значительному уменьшению свободной энергии системы[7].

Изменение свободной энергии (ΔG, кДж/моль) на каждой стадии гликолиза

Из представленной выше диаграммы видно, что только три реакции (1, 3 и 10) протекают с высоким изменением свободной энергии, причём равновесие сильно смещено в сторону образования конечных продуктов, а другие реакции легко обратимы. При глюконеогенезе они могут идти в противоположном направлении, причём их будут катализировать те же ферменты, что и при гликолизе. Для необратимых реакций 1, 3 и 10 в глюконеогенезе используются обходные пути[19].

Гликолиз других углеводов

Многие углеводы, отличные от глюкозы, также разрушаются по пути гликолиза, но после того, как они будут переведены в одно из промежуточных соединений гликолиза[20].

Гликоген и крахмал
Схема гликогенолиза
Основная статья: Гликогенолиз

Полимеры глюкозы гликоген, запасаемый в тканях животных, и крахмал, запасаемый растениями, могут быть использованы клеткой для получения энергии при помощи гликогенолиза — фосфоролитической реакции, осуществляемой гликогенфосфорилазой (или крахмалфосфорилазой у растений). Эти ферменты катализируют атаку гликозидной связи (α1→4), соединяющей два крайних остатка глюкозы на неветвящемся конце, фосфат-ионом, в результате чего образуется глюкозо-1-фосфат и полимер глюкозы, содержащий на фрагмент глюкозы меньше, чем исходный. Часть энергии гликозидной связи при этом запасается в виде эфирной связи, соединяющей фосфат с глюкозой в глюкозо-1-фосфате. Фосфорилаза продолжает отщеплять по одному остатку глюкозы до тех пор, пока не дойдёт до точки ветвления полисахарида (гликозидной связи (α1→6)), где она останавливается. Глюкозо-1-фосфат переводится в глюкозо-6-фосфат ферментом фосфоглюкомутазой, катализирующим обратимую реакцию:

Глюкозо-1-фосфат ⇌ глюкозо-6-фосфат.

Механизм действия этого фермента такой же, как у фосфоглицератмутазы. Образующийся в ходе этой реакции глюкозо-6-фосфат может далее быть задействован в гликолизе или пентозофосфатном пути[21].

Описанная выше ситуация характерна лишь для гликогена и крахмала, запасённых внутри клетки. Фосфоролиз гликогена и крахмала, поступающих в организм с пищей, в пищеварительном тракте не имеет никаких преимуществ перед обычным гидролизом: так как клеточные мембраны непроницаемы для фосфатов сахаров, образующийся при фосфоролизе глюкозо-6-фосфат необходимо сначала превратить в обычный сахар[21]. При гидролизе, осуществляемом, например, пищеварительным ферментом α-амилазой, частицей, атакующей гликозидную связь, является вода, а не фосфат-ион[20].

Дисахариды

Дисахариды до их проникновения в клетку предварительно гидролизуются до соответствующих моносахаридов. В пищеварительном тракте такой гидролиз осуществляют ферменты, прикреплённые к поверхности клеток пищеварительного эпителия (в скобках указан фермент, катализирующий соответствующую реакцию):

Декстрин (полисахарид) + nH2O → n D-глюкоза (декстриназа);
Мальтоза + H2O → 2 D-глюкоза (мальтаза);
Лактоза + H2O → D-галактоза + D-глюкоза (лактаза);
Сахароза + H2O → D-фруктоза + D-глюкоза (сахараза);
Трегалоза + H2O → 2 D-глюкоза (трегалаза)[21].

Образующиеся моносахариды активно транспортируются в эпителиальные клетки, затем попадают в кровь и разносятся к различных тканям, где фосфорилируются и вовлекаются в гликолиз[21].

Фруктоза

У большинства организмов гексозы, отличные от глюкозы, вовлекаются в гликолиз после преобразования в фосфорилированное производное. Гликолитическое расщепление фруктозы называется фруктолиз[22]. D-Фруктоза, в свободном виде присутствующая во многих фруктах и образующаяся при гидролизе сахарозы в тонкой кишке у позвоночных, фосфорилируется гексокиназой:

Фруктоза + ATP → фруктозо-6-фосфат + ADP (реакция идёт в присутствии Mg2+)[23].

Такой путь является основным механизмом вовлечения фруктозы в гликолиз в мышцах и почках. В печени она вовлекается в гликолиз иначе. Фермент печени фруктокиназа катализирует фосфорилирование фруктозы по С-1, а не С-6:

Фруктоза + ATP → фруктозо-1-фосфат + ADP (реакция идёт в присутствии Mg2+).

Далее фруктозо-1-фосфат расщепляется на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат ферментом фруктозо-1-фосфатальдолазой. Далее дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат гликолитическим ферментом триозофосфатизомеразой, а глицеральдегид фосфорилируется ATP и ферментом триозокиназой до глицеральдегид-3-фосфата:

Глицеральдегид + ATP → Глицеральдегид-3-фосфат + ADP (реакция идёт в присутствии Mg2+).

Получившиеся 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата вовлекаются в гликолиз[23]. Ниже представлена схема вышеописанных процессов:

1 — фруктоза, 2 — фруктозо-1-фосфат, 3 — дигидроксиацетонфосфат, 4 — глицеральдегид, 5 — глицеральдегид-3-фосфат, FK — фруктокиназа, ALD-B — фруктозо-1-фосфатальдолаза, TPI — триозофосфатизомераза, TK — триозокиназа.

Галактоза

D-Галактоза, продукт гидролиза лактозы, из кишечника всасывается в кровь, откуда попадает в печень, где фосфорилируется галактокиназой по С-1 с затратой АТФ:

Галактоза + ATP → галактозо-1-фосфат + ADP (реакция идёт в присутствии Mg2+).

Галактозо-1-фосфат далее эпимеризуется по С-4 в глюкозо-1-фосфат в серии реакций, в которых уридиндифосфат (UDP) функционирует как коферментоподобный переносчик гексоз. Эпимеризация включает сначала окисление гидроксильной группы при С-4 до кетогруппы, а затем обратное восстановление кетогруппы до гидроксильной с обращённой конфигурацией. В этих двух реакциях окисления и восстановления кофактором выступает NAD[23]. Ниже представлена схема описанного процесса:

1 — галактоза, 2 — галактозо-1-фосфат, 3 — UDP-глюкоза, 4 — UDP-галактоза, 5 — глюкозо-1-фосфат, 6 — глюкозо-6-фосфат. GK — галактокиназа, GALT — галактозо-1-фосфатуридилтрансфераза, UGE — UDP-глюкозо-4-эпимераза, PGM — фосфоглюкомутаза.

Манноза
Маннозо-6-фосфат

D-Манноза, образующаяся при пищеварительном расщеплении многих полисахаридов и гликопротеинов, может быть фосфорилирована по С-6 гексокиназой:

Манноза + ATP → маннозо-6-фосфат + ADP (реакция идёт в присутствии Mg2+).

Маннозо-6-фосфат далее изомеризуется ферментом фосфоманнозоизомеразой до фруктозо-6-фосфата — промежуточного соединения гликолиза[23].

Регуляция

Регуляция гликолиза обычно осуществляется совместно с регуляцией обратного процесса — глюконеогенеза. У млекопитающих глюконеогенез протекает в основном в печени, где его функция заключается в синтезе глюкозы для перенесения к другим тканям в ситуациях, когда запасы гликогена истощены и с пищей в организм не поступает достаточного количества глюкозы. Как упоминалось выше, благодаря обратимости семи из десяти реакций гликолиза в ходе глюконеогенеза эти реакции протекают в обратном направлении и при катализе теми же ферментами, а для необратимых реакций (1, 3 и 10) используются обходные пути. Эти обходные реакции также необратимы. Так, при глюконеогенезе пируват переходит в фосфоенолпируват через промежуточную стадию образования оксалоацетата при катализе пируваткарбоксилазой, превращающей пируват в оксалоацетат, и фосфоенолпируваткарбоксиназой, переводящей оксалоацетат в фосфоенолпируват (обходной путь для десятой стадии). Обходная реакция для третьей стадии — превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат ферментом фруктозо-1,6-бисфосфатазой, а для первой стадии — превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу глюкозо-6-фосфатазой[24].

Регуляция гексокиназы
Пространственная структура гексокиназы I типа

Гексокиназа, катализирующая фосфорилирование глюкозы на стадии 1, в организме человека представлена четырьмя изоформами (I—IV). Они кодируются разными генами[какими?], но катализируют одну и ту же реакцию. В миоцитах преобладает гексокиназа II, имеющая высокое сродство к глюкозе, — её полунасыщение наступает при 0,1 мМ глюкозы. Поскольку в миоцит глюкоза попадает из крови, где концентрация глюкозы составляет 4—5 мМ, то внутри клетки поддерживается концентрация глюкозы, достаточная для насыщения гексокиназы II, и этот фермент работает в полную силу. Мышечные гексокиназы I и II аллостерически ингибируются их продуктом, глюкозо-6-фосфатом, так что при повышении внутриклеточной концентрации глюкозо-6-фосфата выше нормального уровня происходит временное обратимое подавление активности этих ферментов. Таким образом скорость образования глюкозо-6-фосфата находится в балансе со скоростью его расщепления[25].

Изоформы гексокиназы играют различные роли в углеводном метаболизме печени и мышц: в мышцах глюкоза потребляется для получения энергии, а печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови, потребляя глюкозу или образуя её путём глюконеогенеза в зависимости от концентрации. В печени преобладает гексокиназа IV (глюкокиназа), которая отличается от мышечных гексокиназ I—III в трёх важных аспектах. Во-первых, концентрация глюкозы, при которой происходит полунасыщение гексокиназы IV, составляет около 10 мМ, что выше обычной концентрации глюкозы в крови. Быстрое выравнивание концентраций глюкозы в цитозоле гепатоцитов и крови обеспечивает наличие в мембранах гепатоцитов белков-транспортёров глюкозы — GLUT2. Когда уровень глюкозы в крови повышен, например, после потребления пищи, богатой углеводами, излишек глюкозы переносится в гепатоциты, где гексокиназа IV превращает её в глюкозо-6-фосфат. Так как гексокиназа IV не насыщена при 10 мМ глюкозы, её активность продолжает расти при повышении концентрации глюкозы до 10 мМ и более. При низкой концентрации глюкозы в крови её концентрации в гепатоцитах недостаточно для работы гексокиназы IV, и глюкоза, образовавшаяся в ходе глюконеогенеза, покидает клетку и не фосфорилируется. Во-вторых, гексокиназа IV не подавляется глюкозо-6-фосфатом и поэтому может продолжать работать даже тогда, когда накопление глюкозо-6-фосфата полностью подавляет гексокиназы I—III. Наконец, в-третьих, гексокиназа IV подавляется при обратимом связывании с ней регуляторного белка[какого?], имеющегося только в печени. Этот белок наиболее эффективно связывается с гексокиназой IV в присутствии аллостерического регулятора — фруктозо-6-фосфата. Однако за связывание фруктозо-6-фосфата с этим белком конкурирует глюкоза, которая при связывании с ним вызывает диссоциацию комплекса этого белка и фермента и ослабляет подавление его активности. Сразу после приёма насыщенной углеводами пищи, когда уровень глюкозы в крови высок, глюкоза входит в гепатоциты с помощью GLUT2 и активирует гексокиназу IV по вышеописанному механизму. При голодании, когда уровень глюкозы в крови становится ниже 5 мМ, фруктозо-6-фосфат активирует подавление гексокиназы IV с помощью этого регуляторного белка, в результате чего печень не конкурирует с другими органами за потребление глюкозы. Этот механизм ингибирования при помощи регуляторного белка интересен ещё и тем, что этот белок фиксирует гексокиназу IV внутри ядра клетки, так что она оказывается отделённой от других ферментов гликолиза, локализованных в цитозоле. При повышении концентрации глюкозы в цитозоле она выравнивается с концентрацией глюкозы в ядре путём транспорта через ядерные поры. Глюкоза вызывает диссоциацию регуляторного белка, гексокиназа IV выходит в цитозоль и начинает фосфорилировать глюкозу[26].

Гексокиназа IV и глюкозо-6-фосфатаза также регулируются на уровне транскрипции (подробнее о транскрипционной регуляции см. ниже)[27].

Регуляция фосфофруктокиназы-1
Пространственная структура фосфофруктокиназы-1

Как уже отмечалось, глюкозо-6-фосфат может вовлекаться как в гликолиз, так и в другие процессы, в том числе в синтез гликогена и пентозофосфатный путь. Метаболически необратимая реакция, катализируемая фосфофруктокиназой-1 (PFK-1) является этапом, строго закрепляющим участие данной молекулы глюкозы только в гликолизе. Кроме субстрат-связывающих сайтов, этот сложно устроенный фермент имеет несколько регуляторных сайтов, с которыми связываются аллостерические активаторы или ингибиторы[27].

ATP является не только субстратом для PFK-1, но и конечным продуктом гликолиза. Когда высокий уровень ATP в клетке сигнализирует о том, что образование ATP превосходит его потребление, ATP связывается с PFK-1 в особом аллостерическом сайте и снижает сродство этого фермента к субстрату — фруктозо-6-фосфату. АДФ и АМФ, концентрация которых возрастает, когда потребление ATP опережает его образование, аллостерически связываются с PFK-1 и уменьшают ингибиторное действие связанного с этим ферментом ATP. Эти механизмы способствуют увеличению активности фермента при накоплении ADP или AMP и понижению — при накоплении ATP[28].

Цитрат, ключевое промежуточное соединение при аэробном окислении пирувата, жирных кислот и аминокислот, также является аллостерическим регулятором PFK-1. Высокая концентрация цитрата увеличивает ингибиторный эффект ATP, дополнительно уменьшая расщепление глюкозы в ходе гликолиза. В этом случае, как и в некоторых других, описанных ниже, цитрат выступает в роли внутриклеточного сигнала, свидетельствующего об удовлетворении клеткой своих энергетических потребностей при окислении жиров и белков[28].

Реакции, катализируемой PFK-1, в гликолизе соответствует реакция глюконеогенеза, при которой фруктозо-1,6-бисфосфат переводится во фруктозо-6-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом фруктозобисфосфатазой-1 (FBPаза-1). FBPаза-1 строго подавляется аллостерическим связыванием АМФ, так что когда клеточные запасы АТФ невелики, а уровень АМФ высок, АТФ-зависимый синтез глюкозы приостанавливается[28].

Таким образом, противоположные этапы гликолиза и глюконеогенеза, катализируемые PFK-1 и FBPазой-1 соответственно, регулируются координированно и реципрокно (то есть обратно). Вообще, при достаточных концентрациях ацетил-CoA или цитрата (продукт конценсации ацетил-CoA с оксалоацетатом в цикле Кребса) или когда большая доля клеточного аденилата находится в форме ATP, предпочтительным процессом является глюконеогенез. При повышении уровня AMP стимулируется гликолиз путём стимулирования PFK-1[29].

Фруктозо-2,6-бисфосфат как регулятор

Особая роль печени в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови требует дополнительных регуляторных механизмов, координирующих образование и потребление глюкозы. Когда уровень глюкозы в крови понижается, гормон глюкагон сигнализирует печени, чтобы она образовывала и выделяла в кровь больше глюкозы и приостановила использование глюкозы для собственных нужд. Одним из источников глюкозы является гликоген, запасённый в печени. Другим источником является глюконеогенез, использующий в качестве исходных реагентов пируват, лактат, глицерол и некоторые аминокислоты. Когда уровень глюкозы в крови высок, другой гормон, инсулин, сигнализирует печени, чтобы она использовала глюкозу как «топливо» и предшественник для синтеза и запасания гликогена и триацилглицерола[30].

Быстрая гормональная регуляция гликолиза и глюконеогенеза опосредована фруктозо-2,6-бисфосфатом — аллостерическим регулятором ферментов PFK-1 и FBPазы-1. Когда фруктозо-2,6-бисфосфат связывается с особым аллостерическим сайтом на PFK-1, он увеличивает сродство фермента к его субстрату — фруктозо-6-фосфату и уменьшает его сродство к аллостерическим ингибиторам — ATP и цитрату. При физиологических концентрациях субстратов PFK-1 — АТФ и фруктозо-6-фосфата, а также других положительных или отрицательных эффекторов этого фермента (ADP, AMP, цитрат) PFK-1 находится в инактивированной форме в отсутствие фруктозо-2,6-бисфосфата. На FBPазу-1 фруктозо-2,6-бисфосфат имеет противоположный эффект: он снижает его сродство к субстратам и тем самым замедляет глюконеогенез[31].

Образование фруктозо-2,6-бисфосфата (снизу) из фруктозо-6-фосфата (сверху)

Клеточная концентрация аллостерического регулятора фруктозо-2,6-бисфосфата складывается из относительных скоростей его образования и разрушения. Он образуется при фосфорилировании фруктозо-6-фосфата ферментом фосфофруктокиназой-2 (PFK-2), а разрушается фруктозо-2,6-бисфосфатазой (FBPазой-2). PFK-2 и FBPаза-2 представляют собой две различные ферментные активности одного и того же бифункционального белка. Баланс этих активностей в печени, определяющих клеточный уровень фруктозо-2,6-бисфосфата, регулируется глюкагоном и инсулином[32].

Глюкагон стимулирует аденилатциклазу печени к синтезу 3',5'-cAMP из ATP. cAMP далее активирует cAMP-зависимую протеинкиназу, которая переносит фосфорильную группу с ATP на бифункциональный белок PFK-2/FBPазу-2. Фосфорилирование этого белка усиливает активность FBPазы-2 и подавляет активность PFK-2. Поэтому глюкагон снижает уровень фруктозо-2,6-бисфосфата в клетке, тем самым подавляя гликолиз и стимулируя глюконеогенез. Этим обусловлен эффект глюкагона на повышение уровня глюкозы в крови. Инсулин имеет противоположный эффект, так как он стимулирует активность фосфопротеинфосфатазы, катализирующей перенос фосфорильной группы с PFK-2/FBPазы-2, что активирует PFK-2, в результате чего уровень фруктозо-2,6-бисфосфата увеличивается, стимулируется гликолиз и подавляется глюконеогенез[32].

Ксилулозо-5-фосфат как регулятор
Ксилулозо-5-фосфат

Действие другого регуляторного механизма также основано на регуляции уровня фруктозо-2,6-бисфосфата. В печени млекопитающих ксилулозо-5-фосфат, продукт пентозофосфатного пути, также задействован в увеличении темпов гликолиза после потребления богатой углеводами пищи. Уровень ксилулозо-5-фосфата в клетке увеличивается, когда глюкоза, поступающая в печень, превращается в глюкозо-6-фосфат и далее участвует как в гликолизе, так и пентозофосфатном пути. Ксилулозо-5-фосфат активирует фосфопротеинфосфатазу 2А (PP2A), который дефосфорилирует бифункциональный фермент PFK-2/FBPазу-2. Дефосфорилирование активирует PFK-2 и подавляет FBPазу-2, из-за чего повышается концентрация фруктозо-2,6-бисфосфата, что стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. Увеличение темпов гликолиза запускает образование ацетил-CoA, а увеличение темпов пентозофосфатного пути приводит к образованию NADPH. Ацетил-CoA и NADPH служат стартовыми реагентами для синтеза жирных кислот, так что при потреблении богатой углеводами пищи идёт интенсивный синтез жирных кислот. Ксилулозо-5-фосфат также увеличивает образование всех ферментов, необходимых для синтеза жирных кислот[32].

Регуляция пируваткиназы
Пространственная структура пируваткиназы

У позвоночных имеется по меньшей мере 3 изозима пируваткиназы, которые различаются местонахождением в тканях и ответом на воздействия модуляторов. Высокая концентрация ATP, ацетил-CoA, длинных жирных кислот (признаки достаточной энергетической обеспеченности) аллостерически подавляют все изозимы пируваткиназы. Пируваткиназа печени (L-форма), но не мышц (M-форма), также регулируется фосфорилированием. Когда низкий уровень глюкозы в крови приводит к выбросу глюкагона, cAMP-зависимая протеинкиназа фосфорилирует L-изозим пируваткиназы, инактивируя его. Это замедляет использование глюкозы в печени как источника энергии и направляет её на экспорт в мозг и другие органы. В мышцах эффект повышения концентрации cAMP строго противоположный. В ответ на воздействие адреналина cAMP активирует распад гликогена и гликолиз[33].

Транскрипционный контроль

Большая часть вышеописанных регуляторных путей опосредована быстрыми, легко обратимыми процессами: аллостерическим эффектом, фосфорилированием фермента или связыванием с регуляторным белком. Однако существуют и механизмы регуляции, основанные на изменении количества молекул фермента в клетке за счёт изменений в балансе синтеза и разрушения фермента. Эти механизмы регулируются на уровне транскрипции соответствующего фермента[34].

Под влиянием инсулина находится транскрипция более чем 150 человеческих генов. В их числе гены, участвующие в гликолизе и его регуляции, а именно кодирующие гексокиназы II и IV, PFK-1, пируваткиназу, PFK-2/FBPазу-2[34].

Одним из транскрипционных факторов, важных для метаболизма углеводов, является ChREBP (англ. carbohydrate response element binding protein), экспрессируемый, главным образом, в печени, жировой ткани и почках. Он служит для координирования синтеза ферментов, необходимых для синтеза углеводов и жиров. В неактивной форме ChREBP фосфорилирован двумя фосфатами по и находится в цитозоле, будучи неспособным пройти в ядро. Когда фосфопротеинфосфатаза РР2А удаляет с него один фосфат, ChREBP проникает в ядро, где РР2А убирает с него второй фосфат. Активированный таким образом ChREBP связывается с белком-партнёром, Mlx. Комплекс ChREBP-Mlx теперь связывается с элементом ChoRE (англ. carbohydrate response element) на ДНК в области его промотора и стимулирует его транскрипцию. РР2А аллостерически активируется ксилулозо-5-фосфатом. С помощью ChREBP регулируется синтез таких ферментов, как пируваткиназа, синтаза жирных кислот и ацетил-CoA-карбоксилаза. Другой транскрипционный фактор, функционирующий в печени — SREBP-1c — регулирует образование пируваткиназы, гексокиназы IV, липопротеинлипазы, ацетил-CoA-карбоксилазы и синтазы жирных кислот. Синтез SREBP-1c стимулируется инсулином и подавляется глюкагоном[35].

Модификации

В гликолизе может протекать дополнительная реакция, превращающая 1,3-бисфосфоглицерат в 2,3-бисфосфоглицерат; эта реакция катализируется ферментом бисфосфоглицератмутазой. 2,3-Бисфосфоглицерат может возвращаться в гликолиз под воздействием фермента 2,3-бисфосфоглицератфосфатазы, которая превращает его в 3-фосфоглицерат. В большинстве тканей количество 2,3-бисфосфоглицерата невелико, но в эритроцитах его содержание значительно, поскольку там он функционирует как аллостерический регулятор гемоглобина. Он связывается с гемоглобином и понижает его сродство к кислороду, способствуя диссоциации последнего и его переходу в ткани[36].

Некоторые модификации гликолиза обнаружены у бактерий. В частности, когда окисление глицеральдегид-3-фосфата на стадии 6 глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой ограничено низким содержанием фосфата в среде, у E. coli и некоторых других бактерий дигидроксиацетонфосфат окисляется до пирувата через три реакции, составляющие метилглиоксалевый шунт. В реакции 1 лиаза отщепляет фосфат с образованием метилглиоксаля. В реакции 2 метилглиоксаль присоединяет воду, превращаясь в лактат, вод воздействием глиоксилазы. В реакции 3 лактат окисляется мембраносвязанной флавин-содержащей D-лактатооксидазой до пирувата. Если содержание фосфата в среде высоко, то метилглиоксалевый шунт не функционирует, так как лиаза ингибируется фосфатом[37].

Наконец, у анаэробных бактерий существуют дополнительные пути разложения углеводов. В частности, бактерии, предпочитающие пентозы в качестве субстрата, превращают пентозы и гексозы в ксилулозо-5-фосфат, который далее расщепляется фосфокетолазой[37].

Кроме того, у некоторых термофильных архей имеются только 2 из гликолитических ферментов — енолаза и пируваткиназа[38].

Распространение и физиологическое значение

Гликолиз является универсальным, хотя и не единственным, путём катаболизма глюкозы и активно используется как про-, так и эукариотическими организмами[1]. Все десять ферментов гликолиза водорастворимы и находятся в цитозоле. Некоторые ткани и клетки животных способны катаболизировать глюкозу исключительно с помощью гликолиза (например, нейроны мозга или клетки почечных канальцев). В печени и жировой ткани физиологическая роль гликолиза несколько отличается от таковой в других тканях. Во время пищеварения в печени и жировой ткани гликолиз функционирует в основном как источник субстратов для синтеза жиров[39]. Некоторые ткани растений специальным образом модифицированы для запасания крахмала (например, в клубне картофеля), а некоторые водные растения (например, жеруха) получают большую часть энергии именно через гликолиз[40].

Как отмечалось выше, в аэробных условиях пируват после гликолиза образует ацетил-CoA и вовлекается в цикл Кребса. Две молекулы НАДH, образующиеся при гликолизе в цитозоле, в этих условиях вновь окисляются до НАД+, отдавая свои электроны в электроно-транспортную цепь (ЭТЦ), которая у эукариот находится в митохондриях. По ЭТЦ эти электроны переходят от одного переносчика к другому, пока не дойдут до конечного акцептора электронов — кислорода:

2НАДH + 2Н+ + O2 → 2НАД+ + 2Н2O.

Перенос электронов от НАДH к O2 в митохондриях обеспечивает энергию для синтеза АТФ путём окислительного фосфорилирования[18].

В анаэробных условиях пируват подвергается дальнейшим превращениям, обеспечивая регенерацию НАД+ и других предшественников биосинтеза (брожение). При этом образуются продукты брожения, такие, как, например, лактат или этанол. В этих условиях гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза ATP из ADP и Pi[19]. У некоторых анаэробов, как и у аэробов, функционирует ЭТЦ, однако конечным акцептором электронов служит не кислород, а отличное от него окисленное органическое или неорганическое вещество[41].

Также на анаэробный тип метаболизма переходят некоторые органы и ткани в условиях гипоксии (нехватки кислорода), например, скелетные мышцы при активной работе. В анаэробных условиях в них пируват преобразуется в лактат, который транспортируется в другие ткани (например, печень, сердечную мышцу) и там вновь превращается в пируват (цикл Кори)[42]. Помимо этого, анаэробный распад глюкозы имеет место в эритроцитах, так как в них отсутствуют митохондрии[42].

Особое физиологическое значение гликолиз имеет в адипоцитах, где он поставляет метаболиты для липогенеза и направляет жирные кислоты вместо ненужного окисления на синтез триглицеридов, тем самым снижая окислительный стресс. В нейронах гипоталамуса гликолиз является важным регуляторным звеном контроля пищевого поведения[43].

Медицинское значение
Позитронно-эмиссионная томография всего тела

При накоплении лактата, образующегося при анаэробных условиях, в крови (например, при интенсивной и длительной работе) развивается лактатацидоз — обусловленное накоплением лактата понижение pH крови, что вызывает резкие нарушения в клеточном метаболизме. Так происходит при некоторых патологических состояниях, когда нарушается снабжение тканей кислородом: инфаркт миокарда, лёгочная эмболия, кровотечение[44]. Лактатацидоз может быть обусловлен сахарным диабетом, когда аэробный гликолиз сменяется анаэробным[45]. Поскольку инсулин ускоряет гликолиз, при диабете I типа (когда вырабатывается слишком малое количество инсулина) происходит замедление гликолиза[46]. По этой причине препараты, стимулирующие гликолитические ферменты и ферменты, осуществляющие регуляцию гликолиза, могут стать важным средством лечения диабета[43].

При многих типах рака у животных и человека в опухолевых клетках потребление глюкозы и гликолиз ускоряются почти в 10 раз по сравнению с нормальной клеткой. Дело в том, что большинство опухолевых клеток живут в условиях гипоксии, так как на первых порах нет капиллярной сети, которая в необходимой мере снабжала бы их кислородом. По этой причине в энергетическом плане опухолевые клетки становятся целиком зависимыми от гликолиза, который энергетически гораздо менее эффективен, чем полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды, и опухолевой клетке приходится потреблять гораздо больше глюкозы, чем нормальной. По-видимому, на ранних этапах трансформации нормальной клетки в опухолевую происходит переход на исключительно гликолитическое энергообеспечение и развивается устойчивость к низкому рН внеклеточной среды (снижение рН обусловлено накоплением лактата)[47].

Увеличение темпов гликолиза у опухолевых клеток достигается увеличением синтеза гликолитических ферментов и инсулиннезависимых мембранных переносчиков глюкозы (GLUT1 и GLUT3). Индуцируемый гипоксией транскрипционный фактор (HIF-1) на уровне мРНК усиливает образование по крайней мере восьми ферментов гликолиза, а также переносчиков глюкозы в условиях нехватки кислорода. Он также увеличивает образование пептидного гормона VEGF (фактор роста эндотелия сосудов), который стимулирует разрастание капиллярной сети навстречу опухоли[47].

Большая, по сравнению с нормальными тканями, зависимость опухолей от гликолиза даёт возможности для разработки противораковой терапии: ингибиторы гликолиза поражали и убивали бы опухолевые клетки, снижая их обеспечение АТР. В качестве химиотерапевтических агентов в будущем могут применяться три ингибитора гексокиназы: 2-дезоксиглюкоза, лонидамин и 3-бромпируват. Препятствуя образованию глюкозо-6-фосфата, они блокируют не только гликолиз, но и пентозофосфатный путь, который также начинается с этого соединения. Без пентозофосфатов, образующихся в этом пути, клетка не может синтезировать ДНК- и РНК-нуклеотиды, а значит, расти и делиться. Другим препаратом, уже применяющимся на практике, стал иматиниб — блокатор тирозинкиназы, который предотвращает повышение образования гексокиназы, активируемое этой киназой[48].

Высокая скорость гликолиза в опухолевых клетках также имеет значение для диагностики раковых заболеваний. Относительная скорость потребления глюкозы тканью в некоторых случаях может помочь установить нахождение опухоли. При позитронно-эмиссионной томографии пациенту вводят безвредную, меченную изотопом фтора глюкозу (фтордезоксиглюкозу), которая превращается гексокиназой в 6-фосфодезоксиглюкозу и далее не подвергается метаболическим превращениям, накапливаясь в клетках. Метка обнаруживается специальными детекторами, располагающимися по всему телу, и таким образом определяется локализация опухоли[49].

Эволюция

Роль гликолиза и в брожении, и в дыхании имеет эволюционные основы. Предполагается, что древние прокариоты использовали гликолиз для получения АТФ задолго до того, как кислород накопился в земной атмосфере. Древнейшие известные ископаемые остатки бактерий имеют возраст 3,5 миллиардов лет, однако значительные количества кислорода в атмосфере стали накапливаться 2,7 миллиардов лет назад. Цианобактерии образовывали О2 как побочный продукт при фотосинтезе. По этой причине, возможно, гликолиз был единственным источником ATP для древних прокариот. Тот факт, что в настоящее время гликолиз является наиболее широко распространённым метаболическим путём на Земле, подтверждает то, что он появился на очень ранних этапах истории жизни. О древности гликолиза свидетельствует и то, что все его ферменты локализованы в цитозоле и для протекания этого пути не требуются особые мембранные органеллы, которые появились приблизительно миллиард лет спустя после возникновения прокариотических клеток. Выше говорилось, что у некоторых термофильных архей из всех 10 гликолитических ферментов имеются только енолаза и пируваткиназа, поэтому может быть, что система ферментов гликолиза развилась из такой двухкомпонентной системы[38]. Таким образом, гликолиз можно рассматривать как метаболическое «наследие» от ранних клеток, который и сейчас используется при брожении и как первый этап разрушения органических соединений при дыхании[3].

История изучения
Отто Мейергоф — один из первооткрывателей гликолиза

Гликолиз стал первым тщательно описанным метаболическим путём, и по сей день, возможно, остаётся наиболее изученным. После открытия спиртового брожения в экстрактах клеток дрожжей в 1897 году Эдуардом Бухнером[50] и описания всего процесса гликолиза у дрожжей (Отто Варбург[51] и Ханс Эйлер-Хельпин) и в мышечной ткани (Густав Эмбден, Отто Мейергоф, Яков Парнас[52], считающиеся первооткрывателями гликолиза; в честь них гликолиз получил своё второе название) конкретный механизм реакций гликолиза находился в центре биохимических исследований. В ходе изучения гликолиза развивались методы выделения ферментов, были открыты коферменты, в частности, NAD, и была установлена их глобальная роль, была установлена важнейшая метаболическая роль ATP и других фосфорилированных соединений[40].

Артур Гарден

Понимание того, что именно фосфорилированные гексозы являются промежуточными соединениями гликолиза, пришло не сразу и по счастливой случайности. В 1906 году Артур Гарден и Уильям Янг проверяли свою гипотезу о том, что ингибиторы протеолитических ферментов могут стабилизировать ферменты, сбраживающие глюкозу. Они добавили сыворотку крови, которая содержит ингибиторы протеолитических ферментов, в экстракт дрожжей и наблюдали ожидаемое ускорение метаболизма глюкозы. Однако в контрольном эксперименте, который должен был показать, что прокипячённая сыворотка не оказывала стимулирующего действия, выяснилось, что прокипячённая сыворотка стимулировала гликолиз. Тщательная проверка компонентов сыворотки показала, что стимулирование было обусловлено наличием в сыворотке неорганического фосфата[53]. В дальнейшем Гарден и Янг установили, что глюкоза, добавленная в экстракт дрожжей, превращалась в гексозобисфосфат («эфир Гардена — Янга», известный как фруктозо-1,6-бисфосфат). Это было началом длинной череды открытий, показавших роль органических эфиров и фосфатных ангидридов в биохимии[7].

См. также

Примечания
  1. Нетрусов, Котова, 2012, с. 123.
  2. Nelson, Cox, 2008, p. 528, 530.
  3. Campbell, 2011, p. 179.
  4. Nelson, Cox, 2008, p. 530.
  5. Nelson, Cox, 2008, p. 528—530.
  6. Северин, 2011, с. 264.
  7. Nelson, Cox, 2008, p. 531.
  8. Nelson, Cox, 2008, p. 532.
  9. Nelson, Cox, 2008, p. 533.
  10. Plants in action / The glycolytic pathway (недоступная ссылка). Дата обращения: 18 апреля 2019. Архивировано 20 марта 2018 года.
  11. William C. Plaxton. Metabolic flexibility helps plants to survive stress.
  12. Nelson, Cox, 2008, p. 534.
  13. Nelson, Cox, 2008, p. 535.
  14. Nelson, Cox, 2008, p. 535—536.
  15. Nelson, Cox, 2008, p. 536.
  16. Nelson, Cox, 2008, p. 537.
  17. Nelson, Cox, 2008, p. 537—538.
  18. Nelson, Cox, 2008, p. 538.
  19. Кольман, Рём, 2012, с. 152.
  20. Nelson, Cox, 2008, p. 543.
  21. Nelson, Cox, 2008, p. 544.
  22. Katz N., Jungermann K. Autoregulatory shift from fructolysis to lactate gluconeogenisis in rat hepatocyte suspensions. The problem of metabolic zonation of liver parenchyma. (нем.) // Hoppe-Seyler's Zeitschrift fur physiologische Chemie. — 1976. — Vol. 357, № 3. — P. 359—375. — PMID 955564.
  23. Nelson, Cox, 2008, p. 545.
  24. Nelson, Cox, 2008, p. 582—583.
  25. Nelson, Cox, 2008, p. 583—584.
  26. Nelson, Cox, 2008, p. 584—585.
  27. Nelson, Cox, 2008, p. 585.
  28. Nelson, Cox, 2008, p. 586.
  29. Nelson, Cox, 2008, p. 586—587.
  30. Nelson, Cox, 2008, p. 587.
  31. Nelson, Cox, 2008, p. 587—588.
  32. Nelson, Cox, 2008, p. 588.
  33. Nelson, Cox, 2008, p. 588—589.
  34. Nelson, Cox, 2008, p. 590.
  35. Nelson, Cox, 2008, p. 591—592.
  36. Северин, 2011, с. 269—270.
  37. Современная микробиология / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. — Т. 1. — С. 267. — 654 с.
  38. Simon Potter, Linda A. Fothergill-Gilmore. Molecular evolution: The origin of glycolysis // Biochemical education. — 1993. — Т. 21, № 1. — С. 45—48.
  39. Северин, 2011, с. 270.
  40. Nelson, Cox, 2008, p. 528.
  41. Нетрусов, Котова, 2012, с. 145.
  42. Северин, 2011, с. 268—267.
  43. Xin Guo, Honggui Li, Hang Xu, Shihlung Woo, Hui Dong, Fuer Lu, Alex J. Lange, Chaodong Wu. Glycolysis in the control of blood glucose homeostasis. // Acta Pharmaceutica Sinica B. — 2012. — Vol. 2, № 4. — P. 358—367. — doi:10.1016/j.apsb.2012.06.002.
  44. Северин, 2011, с. 269.
  45. Pogatsa G. Metabolic energy metabolism in diabetes: therapeutic implications. (англ.) // Coronary artery disease. — 2001. — Vol. 12 Suppl 1. — P. 29—33. — PMID 11286305.
  46. Diabetes - Errors of Metabolism.
  47. Nelson, Cox, 2008, p. 540.
  48. Nelson, Cox, 2008, p. 540—541.
  49. Nelson, Cox, 2008, p. 541.
  50. Eduard Buchner. Alkoholische Gärung ohne Hefezellen (Vorläufige Mitteilung) (нем.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : magazin. — 1897. — Bd. 30. — S. 117—124. — doi:10.1002/cber.18970300121.
  51. Otto Warburg. Über die Rolle des Eisens in der Atmung des Seeigeleis nebst Bemerkungen über einige durch Eisen beschleunigte Oxydationen. // Über die Katalytischen Wirkungen der Lebendigen Substanz. — 1928. — P. 47—66.
  52. Парнас Яков Оскарович — статья из Большой советской энциклопедии. 
  53. Arthur Harden, William John Young. The Alcoholic Ferment of Yeast-Juice. Part III.-The Function of Phosphates in the Fermentation of Glucose by Yeast-Juice. // Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. — 1908. — Vol. 80, № 540. — P. 299—311.

Литература
  • David E. Metzler. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells.. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Т. 2. — 1973 с. — ISBN 978-0-1249-2541-0.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
  • Campbell N. A., Reece J. B., Urry L. A. e. a. Biology. 9th ed. — Benjamin Cummings, 2011. — 1263 p. — ISBN 978-0-321-55823-7.
  • Кольман Я., Рём К.—Г. Наглядная биохимия. — 4-е изд.. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 469 с. — ISBN 978-5-9963-0620-6.
  • Биологическая химия с упражнениями и задачами / Под ред. С. Е. Северина. — М.: Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2011. — 624 с.
  • Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.