Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на два этапа: в течении первого этапа осуществляется распад глюкозы на две триозы (подготовительный этап), а второго – окисление триоз с образованием пирувата, который восстанавливается в лактат (этап гликолитической оксидоредукции).
Здесь, как и в первой реакции, затрачивается молекула АТФ и происходит значительное высвобождение энергии, что делает эту реакцию необратимой.
Данная реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой-1 , имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфофруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует указать на 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.
Важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктоза-2,6-дифосфат (см.ниже).
Четвертая реакция обратима. Катализирующий ее фермент называется альдолазой.
Описано несколько различных альдолаз. В большинстве тканей находится альдолаза А. Все типы альдолаз построены из четырех субъединиц и действуют преимущественно на “открытые” формы фруктозофосфатов, хотя в клетках преобладают их фуранозные формы. Продуктами действия альдолаз являются триозофосфаты: 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА). Триозофосфаты могут превращаться друг в друга при помощи триозофосфатизомеразы. И хотя равновесие триозофосфатизомеразной реакции сдвинуто в сторону образования ФДА (соотношение фосфотриоз в клетках – 95 % ФДА и 5 % 3-ФГА), в гликолитическом пути окисляется 3-ФГА, что позволяет при дальнейшем обсуждении считать результатом дихотомического этапа гликолиза образование двух молекул 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.
Второй этап гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложным.
В пятой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-ФГА. Фермент состоит из четырех одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Коферментом данной дегидрогеназы является НАД+.
Реакция начинается с образования фермент-субстратного комплекса, в котором 3-ФГА связывается с SH-группой активного центра дегидрогеназы ковалентной связью. На втором этапе реакции происходит окисление альдегидной группы 3ФГА и формирование макроэргической связи между продуктом окисления и группой активного центра. Затем в реакцию вступает молекула фосфорной кислоты, которая обеспечивает фосфоролиз ферментсубстратного комплекса с образованием макроэрга – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК). Этот механизм уже упоминался в главе 4 как механизм преобразования энергии окисления в макроэргическое соединение.
Шестая реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества энергии, поэтому ее равновесие сдвинуто вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.
Седьмая реакция. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:
Эта реакция катализируется фосфоглицеромутазой и играет важную роль не только в процессе гликолиза, но и служит источником 2,3-дифосфоглицерата, который является регулятором механизма связывания кислорода гемоглобином. Механизм фосфоглицеромутазной реакции подобен фосфоглюкомутазной реакции. Оба фермента служат донором фосфатных групп в процессе реакции. Остатки фосфорной кислоты связаны ковалентно с аминокислотами ферментов ( с серином в фосфоглюкомутазе и гистидином в фосфоглицеромутазе).
Восьмая реакция. Образование макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата (ФЕПВК). 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.
Девятая реакция. Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично шестой реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата.
Реакция образования пировиноградной кислоты (ПВК) необратима.
Десятая реакция.
В заключительной реакции гликолиза ПВК, выполняя функцию конечного акцептора водородов, превращается в молочную кислоту. Водороды для этой реакции поступают из единственной окислительной реакции гликолиза. Дегидрогеназа 3-ФГА освобождается от водородов и вновь может участвовать в окислении. Две дегидрогеназые реакции гликолиза образуют сопряжено работающую пару, катализирующую процесс, получивший название гликолитическая оксидоредукция.
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 двух реакциях субстратного фосфорилирования (реакции шестая и девятая) образуется четыре молекулы АТФ (в пересчете на молекулу глюкозы), однако в подготовительной стадии две молекулы АТФ расходуются (реакции первая и третья), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.
NB! В анаэробных условиях конечным акцептором водорода может быть ацетальдегид (спиртовое брожение глюкозы).
В анаэробных условиях глюкоза может превращаться в этанол. Ранее полагали, что образование этилового спирта – привилегия дрожжей и некоторых плесневых грибков. Однако уже доказано, что в тканях млекопитающих алкоголь также образуется. Он является нормальным метаболитом клеток. Тяга к алкоголю, по-видимому, возникает вследствие недостаточности ферментных систем, его производящих.
Реакции спиртового брожения глюкозы совпадают с реакциями гликолиза до стадии образования ПВК.
Образование ацетальдегида из ПВК осуществляется путем прямого декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазой с участием ее кофермента – тиаминпирофосфата. Ацетальдегид превращается в этанол с помощью алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАДН ·Н+. Уксусный альдегид – чрезвычайно токсичное соединение, его высокая концентрация в крови при потреблении спиртных напитков способна вызвать смертельный исход. Экзогенный этанол обезвреживается также алкогольдегидрогеназой (кофермент – НАД+), окисляясь в печени до ацетальдегида (реакция обратима) и далее с помощью альдегиддегидрогеназы – до уксусной кислоты. Активность альдегиддегидрогеназы (от ее зависит переносимость алкоголя) значительно варьирует у разных лиц и наций. Уксусная кислота, активируясь, превращается в ацетил-КоА, который “сгорает” в цикле Кребса с образованием энергии. В обезвреживании этанола принимают также участие микросомная система детоксикации гепатоцитов и фермент каталаза. Однако их роль менее значима.
Систематическое потребление алкоголя приводит к циррозу печени и увеличивает риск развития рака (причем не только печени), особенно на фоне хронического воздействия малых доз облучения.
NB! Глюконеогенез – механизм синтеза глюкозы
Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой (эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является тем метаболическим путем, который решает данную проблему. Глюконеогенез – это метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты, распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др.).
Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали ключевыми реакциями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в печени и корковом веществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих необратимые реакции гликолиза и соответствующих им ключевых ферментов глюконеоегенеза.