Гликолиз — это метаболический путь , который превращает глюкозу ( C 6 H 12 O 6 ) в пируват и, в большинстве организмов, происходит в жидкой части клеток ( цитозоле ). Свободная энергия, высвобождаемая в этом процессе, используется для образования высокоэнергетических молекул аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). [1] Гликолиз — это последовательность из десяти реакций, катализируемых ферментами .
Широкое распространение гликолиза у других видов указывает на то, что это древний метаболический путь. [2] Действительно, реакции, составляющие гликолиз и его параллельный путь, пентозофосфатный путь , могут происходить в бескислородных условиях архейских океанов , а также в отсутствие ферментов, катализируемых ионами металлов, что означает, что это вероятный пребиотический путь абиогенеза . [3]
Наиболее распространенным типом гликолиза является путь Эмбдена–Мейерхофа–Парнаса (ЭМП) , который был открыт Густавом Эмбденом , Отто Мейерхофом и Якубом Каролем Парнасом . Гликолиз также относится к другим путям, таким как путь Энтнера–Дудорова и различным гетероферментативным и гомоферментативным путям. Однако обсуждение здесь будет ограничено путем Эмбдена–Мейерхофа–Парнаса. [4]
Путь гликолиза можно разделить на две фазы: [5]
Общая реакция гликолиза:
Использование символов в этом уравнении делает его неуравновешенным по отношению к атомам кислорода, атомам водорода и зарядам. Баланс атомов поддерживается двумя фосфатными (P i ) группами: [6]
Заряды уравновешиваются разницей между АДФ и АТФ. В клеточной среде все три гидроксильные группы АДФ диссоциируют на −O − и H + , давая АДФ 3− , и этот ион имеет тенденцию существовать в ионной связи с Mg 2+ , давая АДПМг − . АТФ ведет себя идентично, за исключением того, что у него четыре гидроксильные группы, давая АТПМг 2− . Когда эти различия вместе с истинными зарядами на двух фосфатных группах рассматриваются вместе, чистые заряды −4 с каждой стороны уравновешиваются. [ необходима цитата ]
Для простых ферментаций метаболизм одной молекулы глюкозы в две молекулы пирувата имеет чистый выход двух молекул АТФ. Большинство клеток затем будут проводить дальнейшие реакции, чтобы «возвратить» использованный НАД + и производить конечный продукт этанол или молочную кислоту . Многие бактерии используют неорганические соединения в качестве акцепторов водорода для регенерации НАД + . [ требуется цитата ]
Клетки, осуществляющие аэробное дыхание, синтезируют гораздо больше АТФ, но не как часть гликолиза. Эти дальнейшие аэробные реакции используют пируват и НАДН + Н + из гликолиза. Эукариотическое аэробное дыхание производит приблизительно 34 дополнительных молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, однако большинство из них производится с помощью механизма, значительно отличающегося от фосфорилирования на уровне субстрата в гликолизе. [ необходима цитата ]
Более низкое производство энергии на глюкозу при анаэробном дыхании по сравнению с аэробным дыханием приводит к большему потоку через путь в условиях гипоксии (низкого содержания кислорода), если только не найдены альтернативные источники анаэробно окисляемых субстратов, таких как жирные кислоты. [ необходима цитата ]
Для полного объяснения пути гликолиза, как он известен сегодня, потребовалось почти 100 лет. [7] Для понимания тонкостей всего пути требовались объединенные результаты множества небольших экспериментов.
Первые шаги в понимании гликолиза начались в девятнадцатом веке с винодельческой промышленности. По экономическим причинам французская винодельческая промышленность стремилась исследовать, почему вино иногда становилось невкусным, вместо того чтобы сбраживаться в спирт. Французский ученый Луи Пастер исследовал этот вопрос в 1850-х годах, и результаты его экспериментов начали долгий путь к выяснению пути гликолиза. [8] Его эксперименты показали, что брожение происходит под действием живых микроорганизмов , дрожжей, и что потребление глюкозы дрожжами уменьшалось в аэробных условиях брожения по сравнению с анаэробными условиями ( эффект Пастера ). [9]
Понимание составляющих этапов гликолиза было получено в ходе экспериментов Эдуарда Бухнера по неклеточной ферментации в 1890-х годах. [10] [11] Бухнер продемонстрировал, что преобразование глюкозы в этанол возможно с использованием неживого экстракта дрожжей благодаря действию ферментов в экстракте. [12] : 135–148 Этот эксперимент не только произвел революцию в биохимии, но и позволил ученым более поздних лет анализировать этот путь в более контролируемых лабораторных условиях. В серии экспериментов (1905–1911) ученые Артур Харден и Уильям Янг открыли больше фрагментов гликолиза. [13] Они обнаружили регуляторные эффекты АТФ на потребление глюкозы во время спиртовой ферментации. Они также пролили свет на роль одного соединения как промежуточного продукта гликолиза: фруктозо-1,6-бисфосфата. [12] : 151–158
Выяснение фруктозо-1,6-бисфосфата было достигнуто путем измерения уровней CO 2 при инкубации дрожжевого сока с глюкозой. Производство CO 2 быстро увеличивалось, а затем замедлялось. Харден и Янг отметили, что этот процесс возобновится, если к смеси добавить неорганический фосфат (Pi). Харден и Янг пришли к выводу, что в этом процессе образуются органические фосфатные эфиры, и дальнейшие эксперименты позволили им извлечь фруктозо-дифосфат (F-1,6-DP).
Артур Харден и Уильям Янг вместе с Ником Шеппардом определили во втором эксперименте, что термочувствительная высокомолекулярная субклеточная фракция (ферменты) и термонечувствительная низкомолекулярная цитоплазматическая фракция (АДФ, АТФ и НАД + и другие кофакторы ) необходимы вместе для продолжения ферментации. Этот эксперимент начался с наблюдения, что диализованный (очищенный) дрожжевой сок не мог ферментировать или даже создавать фосфат сахара. Эта смесь была спасена добавлением недиализованного дрожжевого экстракта, который был прокипячен. Кипячение дрожжевого экстракта делает все белки неактивными (поскольку оно денатурирует их). Способность кипяченого экстракта плюс диализованного сока завершать ферментацию предполагает, что кофакторы были небелковыми по своей природе. [13]
В 1920-х годах Отто Мейерхоф смог связать воедино некоторые из многих отдельных частей гликолиза, открытых Бухнером, Харденом и Янгом. Мейерхоф и его команда смогли извлечь различные гликолитические ферменты из мышечной ткани и объединить их, чтобы искусственно создать путь от гликогена к молочной кислоте. [14] [15]
В одной из статей Мейерхоф и ученый Ренате Юнович-Коколати исследовали реакцию, которая расщепляет фруктозо-1,6-дифосфат на два триозофосфата. Предыдущая работа предполагала, что расщепление происходит через 1,3-дифосфоглицеральдегид плюс окислительный фермент и козимазу. Мейерхофф и Юнович обнаружили, что константа равновесия для реакции изомеразы и альдоз не была затронута неорганическими фосфатами или любыми другими козимазами или окислительными ферментами. Они также удалили дифосфоглицеральдегид как возможный промежуточный продукт в гликолизе. [15]
Имея все эти части в наличии к 1930-м годам, Густав Эмбден предложил подробную, пошаговую схему того пути, который мы теперь знаем как гликолиз. [16] Наибольшие трудности в определении тонкостей пути были связаны с очень коротким временем жизни и низкими стационарными концентрациями промежуточных продуктов быстрых гликолитических реакций. К 1940-м годам Мейерхоф, Эмбден и многие другие биохимики наконец завершили головоломку гликолиза. [15] Понимание изолированного пути было расширено в последующие десятилетия, чтобы включить дополнительные детали его регуляции и интеграции с другими метаболическими путями.
+
2 × 3-фосфоглицерат
2 × 2-фосфоглицерат
2 × Фосфоенолпируват
2 × Пируват
Первые пять этапов гликолиза считаются подготовительной (или инвестиционной) фазой, поскольку они потребляют энергию для преобразования глюкозы в два трехуглеродных сахарофосфата [5] ( G3P ).
После того, как глюкоза попадает в клетку, первым шагом является фосфорилирование глюкозы семейством ферментов, называемых гексокиназами, с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P). Эта реакция потребляет АТФ, но она действует, чтобы поддерживать концентрацию глюкозы внутри клетки на низком уровне, способствуя непрерывному транспорту глюкозы крови в клетку через переносчики плазматической мембраны. Кроме того, фосфорилирование блокирует утечку глюкозы — в клетке отсутствуют переносчики для G6P, и свободная диффузия из клетки предотвращается из-за заряженной природы G6P. Глюкоза может также образовываться в результате фосфоролиза или гидролиза внутриклеточного крахмала или гликогена.
У животных в печени также используется изофермент гексокиназы, называемый глюкокиназой, который имеет гораздо более низкое сродство к глюкозе (K m около нормальной гликемии ) и отличается регуляторными свойствами. Различное сродство к субстрату и альтернативная регуляция этого фермента отражают роль печени в поддержании уровня сахара в крови.
Кофакторы: Mg 2+
Затем G6P перестраивается во фруктозо-6-фосфат (F6P) с помощью глюкозофосфатизомеразы . Фруктоза также может войти в гликолитический путь путем фосфорилирования в этой точке.
Изменение структуры представляет собой изомеризацию, при которой G6P преобразуется в F6P. Для протекания реакции требуется фермент фосфоглюкозоизомераза. Эта реакция свободно обратима в нормальных клеточных условиях. Однако она часто движется вперед из-за низкой концентрации F6P, который постоянно расходуется на следующем этапе гликолиза. В условиях высокой концентрации F6P эта реакция легко протекает в обратном направлении. Это явление можно объяснить с помощью принципа Ле Шателье . Изомеризация в кето-сахар необходима для стабилизации карбаниона на четвертом этапе реакции (ниже).
Расход энергии другого АТФ на этом этапе оправдан двумя способами: гликолитический процесс (до этого этапа) становится необратимым, а поставляемая энергия дестабилизирует молекулу. Поскольку реакция, катализируемая фосфофруктокиназой 1 (PFK-1), сопряжена с гидролизом АТФ (энергетически выгодный этап), она, по сути, необратима, и для обратного преобразования во время глюконеогенеза должен использоваться другой путь . Это делает реакцию ключевой регуляторной точкой (см. ниже).
Кроме того, второе событие фосфорилирования необходимо для образования двух заряженных групп (а не только одной) на последующем этапе гликолиза, что гарантирует предотвращение свободной диффузии субстратов из клетки.
Та же реакция может также катализироваться пирофосфат-зависимой фосфофруктокиназой ( PFP или PPi-PFK ), которая встречается у большинства растений, некоторых бактерий, архей и простейших, но не у животных. Этот фермент использует пирофосфат (PPi) в качестве донора фосфата вместо АТФ. Это обратимая реакция, повышающая гибкость гликолитического метаболизма. [17] Более редкий вариант фермента PFK, зависящий от АДФ, был идентифицирован у видов архей. [18]
Кофакторы: Mg 2+
Дестабилизация молекулы в предыдущей реакции позволяет гексозному кольцу расщепляться альдолазой на два триозных сахара: дигидроксиацетонфосфат (кетоза) и глицеральдегид-3-фосфат (альдоза). Существует два класса альдолаз: альдолазы класса I, присутствующие в животных и растениях, и альдолазы класса II, присутствующие в грибах и бактериях; эти два класса используют разные механизмы расщепления кетозного кольца.
Электроны, делокализованные в разрыве связи углерод-углерод, ассоциируются со спиртовой группой. Образующийся карбанион стабилизируется структурой самого карбаниона через резонансное распределение заряда и наличием заряженной ионной простетической группы.
Триозофосфатизомераза быстро взаимопревращает дигидроксиацетонфосфат с глицеральдегид-3-фосфатом ( GADP ), который далее переходит в гликолиз. Это выгодно, так как направляет дигидроксиацетонфосфат по тому же пути, что и глицеральдегид-3-фосфат, упрощая регуляцию.
Вторая половина гликолиза известна как фаза оплаты, характеризующаяся чистым приростом богатых энергией молекул АТФ и НАДН. [5] Поскольку глюкоза приводит к двум триозным сахарам в подготовительной фазе, каждая реакция в фазе оплаты происходит дважды на молекулу глюкозы. Это дает 2 молекулы НАДН и 4 молекулы АТФ, что приводит к чистому приросту 2 молекул НАДН и 2 молекул АТФ из гликолитического пути на глюкозу.
Альдегидные группы триозосахаров окисляются , и к ним присоединяется неорганический фосфат , образуя 1,3-бисфосфоглицерат .
Водород используется для восстановления двух молекул NAD + , переносчика водорода, с образованием NADH + H + для каждой триозы.
Баланс атомов водорода и зарядовый баланс поддерживаются, поскольку фосфатная группа (P i ) фактически существует в форме аниона гидрофосфата ( HPO2−4), [6] который диссоциирует, внося дополнительный ион H + и давая суммарный заряд -3 с обеих сторон.
Здесь арсенат ( [AsO 4 ] 3− ), анион, родственный неорганическому фосфату, может заменить фосфат в качестве субстрата для образования 1-арсено-3-фосфоглицерата. Однако он нестабилен и легко гидролизуется с образованием 3-фосфоглицерата , промежуточного продукта на следующем этапе пути. В результате обхода этого этапа молекула АТФ, полученная из 1-3 бисфосфоглицерата в следующей реакции, не будет создана, даже если реакция продолжается. В результате арсенат является разобщителем гликолиза. [19]
Этот шаг представляет собой ферментативный перенос фосфатной группы от 1,3-бисфосфоглицерата к АДФ фосфоглицераткиназой , образуя АТФ и 3-фосфоглицерат . На этом шаге гликолиз достигает точки безубыточности: 2 молекулы АТФ были израсходованы, и теперь синтезированы 2 новые молекулы. Этот шаг, один из двух шагов фосфорилирования на уровне субстрата , требует АДФ; таким образом, когда в клетке много АТФ (и мало АДФ), эта реакция не происходит. Поскольку АТФ распадается относительно быстро, когда он не метаболизируется, это важная регуляторная точка в гликолитическом пути.
АДФ на самом деле существует как АДПМг − , а АТФ как АТПМг 2− , уравновешивая заряды на уровне −5 с обеих сторон.
Кофакторы: Mg 2+
Фосфоглицератмутаза изомеризует 3-фосфоглицерат в 2-фосфоглицерат .
Затем енолаза преобразует 2-фосфоглицерат в фосфоенолпируват . Эта реакция является реакцией элиминации, включающей механизм E1cB .
Кофакторы: 2 Mg2 + , один «конформационный» ион для координации с карбоксилатной группой субстрата и один «каталитический» ион, участвующий в дегидратации.
Окончательное фосфорилирование на уровне субстрата теперь образует молекулу пирувата и молекулу АТФ с помощью фермента пируваткиназы . Это служит дополнительным регуляторным шагом, аналогичным шагу фосфоглицераткиназы.
Кофакторы: Mg 2+
Существование более чем одной точки регуляции указывает на то, что промежуточные продукты между этими точками входят и выходят из пути гликолиза посредством других процессов. Например, на первом регулируемом этапе гексокиназа преобразует глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Вместо продолжения пути гликолиза этот промежуточный продукт может быть преобразован в молекулы хранения глюкозы, такие как гликоген или крахмал . Обратная реакция, расщепляющая, например, гликоген, производит в основном глюкозо-6-фосфат; в ходе реакции образуется очень мало свободной глюкозы. Полученный таким образом глюкозо-6-фосфат может войти в гликолиз после первой контрольной точки.
На втором регулируемом этапе (третий этап гликолиза) фосфофруктокиназа преобразует фруктозо-6-фосфат во фруктозо-1,6-бисфосфат, который затем преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Дигидроксиацетонфосфат может быть удален из гликолиза путем преобразования в глицерин-3-фосфат, который может быть использован для образования триглицеридов. [20] И наоборот, триглицериды могут быть расщеплены на жирные кислоты и глицерин; последний, в свою очередь, может быть преобразован в дигидроксиацетонфосфат, который может войти в гликолиз после второй контрольной точки.
Изменение свободной энергии, Δ G , для каждого шага в пути гликолиза можно рассчитать с помощью Δ G = Δ G °′ + RT ln Q , где Q — коэффициент реакции . Для этого необходимо знать концентрации метаболитов . Все эти значения доступны для эритроцитов , за исключением концентраций NAD + и NADH. Отношение NAD + к NADH в цитоплазме составляет приблизительно 1000, что делает окисление глицеральдегид-3-фосфата (шаг 6) более благоприятным.
Используя измеренные концентрации на каждом этапе и стандартные изменения свободной энергии, можно рассчитать фактическое изменение свободной энергии. (Пренебрежение этим очень распространено — дельта G гидролиза АТФ в клетках не является стандартным изменением свободной энергии гидролиза АТФ, указанным в учебниках).
Измеряя физиологические концентрации метаболитов в эритроците, можно сделать вывод, что около семи шагов гликолиза находятся в равновесии для этого типа клеток. Три шага — те, которые имеют большие отрицательные изменения свободной энергии — не находятся в равновесии и называются необратимыми ; такие шаги часто подлежат регулированию.
Шаг 5 на рисунке показан позади других шагов, поскольку этот шаг является побочной реакцией, которая может уменьшать или увеличивать концентрацию промежуточного глицеральдегид-3-фосфата. Это соединение преобразуется в дигидроксиацетонфосфат ферментом триозофосфатизомеразой, которая является каталитически совершенным ферментом; его скорость настолько высока, что можно предположить, что реакция находится в равновесии. Тот факт, что Δ G не равен нулю, указывает на то, что фактические концентрации в эритроците точно не известны.
Ферменты, катализирующие гликолиз, регулируются с помощью ряда биологических механизмов, чтобы контролировать общий поток через путь. Это жизненно важно как для гомеостаза в статической среде, так и для метаболической адаптации к изменяющейся среде или потребности. [22] Детали регуляции некоторых ферментов в высокой степени консервативны между видами, тогда как другие сильно различаются. [23] [24]
У животных регуляция уровня глюкозы в крови поджелудочной железой совместно с печенью является жизненно важной частью гомеостаза . Бета-клетки в островках поджелудочной железы чувствительны к концентрации глюкозы в крови. [31] Повышение концентрации глюкозы в крови заставляет их выделять инсулин в кровь, что оказывает влияние, в частности, на печень, а также на жировые и мышечные клетки, заставляя эти ткани удалять глюкозу из крови. Когда уровень сахара в крови падает, бета-клетки поджелудочной железы прекращают выработку инсулина, но вместо этого стимулируют соседние альфа-клетки поджелудочной железы выделять глюкагон в кровь. [31] Это, в свою очередь, заставляет печень выделять глюкозу в кровь, расщепляя запасенный гликоген и посредством глюконеогенеза. Если падение уровня глюкозы в крови особенно быстрое или сильное, другие сенсоры глюкозы вызывают выброс адреналина из надпочечников в кровь. Это оказывает такое же действие, как глюкагон на метаболизм глюкозы, но его эффект более выражен. [31] В печени глюкагон и адреналин вызывают фосфорилирование ключевых, регулируемых ферментов гликолиза, синтеза жирных кислот , синтеза холестерина , глюконеогенеза и гликогенолиза. Инсулин оказывает противоположное действие на эти ферменты. [32] Фосфорилирование и дефосфорилирование этих ферментов (в конечном итоге в ответ на уровень глюкозы в крови) является доминирующим способом, с помощью которого эти пути контролируются в печени, жировых и мышечных клетках. Таким образом, фосфорилирование фосфофруктокиназы ингибирует гликолиз, тогда как ее дефосфорилирование под действием инсулина стимулирует гликолиз. [32]
Три регуляторных фермента — это гексокиназа (или глюкокиназа в печени), фосфофруктокиназа и пируваткиназа . Поток через гликолитический путь регулируется в ответ на условия как внутри, так и снаружи клетки. Внутренние факторы, которые регулируют гликолиз, делают это в первую очередь для того, чтобы обеспечить АТФ в достаточном количестве для нужд клетки. Внешние факторы действуют в первую очередь на печень , жировую ткань и мышцы , которые могут удалять большие количества глюкозы из крови после еды (тем самым предотвращая гипергликемию , сохраняя избыток глюкозы в виде жира или гликогена, в зависимости от типа ткани). Печень также способна выделять глюкозу в кровь между приемами пищи, во время голодания и физических упражнений, тем самым предотвращая гипогликемию посредством гликогенолиза и глюконеогенеза . Эти последние реакции совпадают с остановкой гликолиза в печени.
Кроме того, гексокиназа и глюкокиназа действуют независимо от гормональных эффектов в качестве контролей в точках входа глюкозы в клетки различных тканей. Гексокиназа реагирует на уровень глюкозо-6-фосфата (G6P) в клетке или, в случае глюкокиназы, на уровень сахара в крови, чтобы обеспечить полностью внутриклеточный контроль гликолитического пути в различных тканях (см. ниже). [32]
Когда глюкоза была преобразована в G6P гексокиназой или глюкокиназой, она может быть либо преобразована в глюкозо-1-фосфат (G1P) для преобразования в гликоген , либо альтернативно преобразована гликолизом в пируват , который поступает в митохондрию , где он преобразуется в ацетил-КоА , а затем в цитрат . Избыточный цитрат экспортируется из митохондрии обратно в цитозоль, где АТФ-цитратлиаза регенерирует ацетил-КоА и оксалоацетат (OAA). Затем ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот и синтеза холестерина , двух важных способов использования избыточной глюкозы, когда ее концентрация в крови высока. Регулируемые ферменты, катализирующие эти реакции, выполняют эти функции, когда они были дефосфорилированы под действием инсулина на клетки печени. Между приемами пищи, во время голодания , физических упражнений или гипогликемии, глюкагон и адреналин высвобождаются в кровь. Это заставляет гликоген печени преобразовываться обратно в G6P, а затем преобразовываться в глюкозу печеночным ферментом глюкозо-6-фосфатазой и высвобождаться в кровь. Глюкагон и адреналин также стимулируют глюконеогенез, который преобразует неуглеводные субстраты в G6P, который присоединяется к G6P, полученному из гликогена, или заменяет его, когда запасы гликогена в печени истощены. Это имеет решающее значение для функции мозга, поскольку мозг использует глюкозу в качестве источника энергии в большинстве случаев. [33] Одновременное фосфорилирование, в частности, фосфофруктокиназы , а также, в определенной степени, пируваткиназы, предотвращает гликолиз, происходящий одновременно с глюконеогенезом и гликогенолизом.
Все клетки содержат фермент гексокиназу , который катализирует превращение глюкозы, попавшей в клетку, в глюкозо-6-фосфат (G6P). Поскольку клеточная мембрана непроницаема для G6P, гексокиназа по сути выполняет функцию транспортировки глюкозы в клетки, из которых она затем больше не может вырваться. Гексокиназа ингибируется высоким уровнем G6P в клетке. Таким образом, скорость поступления глюкозы в клетки частично зависит от того, насколько быстро G6P может быть утилизирован путем гликолиза и синтеза гликогена (в клетках, которые хранят гликоген, а именно в печени и мышцах). [32] [34]
Глюкокиназа , в отличие от гексокиназы, не ингибируется G6P. Она встречается в клетках печени и фосфорилирует глюкозу, поступающую в клетку, с образованием G6P только тогда, когда глюкозы в крови много. Это первый шаг в гликолитическом пути в печени, поэтому он придает дополнительный уровень контроля гликолитическому пути в этом органе. [32]
Фосфофруктокиназа является важной контрольной точкой в гликолитическом пути, поскольку это один из необратимых этапов и имеет ключевые аллостерические эффекторы, АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфат (F2,6BP).
F2,6BP является очень мощным активатором фосфофруктокиназы (PFK-1), которая синтезируется, когда F6P фосфорилируется второй фосфофруктокиназой ( PFK2 ). В печени, когда уровень сахара в крови низкий, а глюкагон повышает уровень цАМФ, PFK2 фосфорилируется протеинкиназой A. Фосфорилирование инактивирует PFK2, а другой домен этого белка становится активным как фруктозобисфосфатаза-2, которая превращает F2,6BP обратно в F6P. И глюкагон , и адреналин вызывают высокие уровни цАМФ в печени. Результатом более низких уровней печеночного F2,6BP является снижение активности фосфофруктокиназы и повышение активности фруктозо-1,6-бисфосфатазы , так что глюконеогенез (по сути, «гликолиз наоборот») благоприятствует. Это согласуется с ролью печени в подобных ситуациях, поскольку реакция печени на эти гормоны заключается в выбросе глюкозы в кровь.
АТФ конкурирует с АМФ за аллостерический эффекторный сайт на ферменте PFK. Концентрации АТФ в клетках намного выше, чем у АМФ, обычно в 100 раз выше, [35] но концентрация АТФ не изменяется более чем на 10% в физиологических условиях, тогда как падение АТФ на 10% приводит к 6-кратному увеличению АМФ. [36] Таким образом, значимость АТФ как аллостерического эффектора сомнительна. Увеличение АМФ является следствием снижения энергетического заряда в клетке.
Цитрат ингибирует фосфофруктокиназу при тестировании in vitro , усиливая ингибирующий эффект АТФ. Однако сомнительно, что это значимый эффект in vivo , поскольку цитрат в цитозоле используется в основном для преобразования в ацетил-КоА для синтеза жирных кислот и холестерина .
TIGAR , фермент, индуцированный p53, отвечает за регуляцию фосфофруктокиназы и действует для защиты от окислительного стресса. [37] TIGAR — это одиночный фермент с двойной функцией, который регулирует F2,6BP. Он может вести себя как фосфатаза (фруктуозо-2,6-бисфосфатаза), которая расщепляет фосфат на углероде-2, образуя F6P. Он также может вести себя как киназа (PFK2), добавляя фосфат на углерод-2 F6P, что образует F2,6BP. У людей белок TIGAR кодируется геном C12orf5 . Фермент TIGAR будет препятствовать дальнейшему прогрессированию гликолиза, создавая накопление фруктозо-6-фосфата (F6P), который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат (G6P). Накопление G6P будет перемещать углероды в пентозофосфатный путь. [38] [39]
Последний этап гликолиза катализируется пируваткиназой с образованием пирувата и другого АТФ. Он регулируется рядом различных механизмов транскрипционной, ковалентной и нековалентной регуляции, которые могут сильно различаться в разных тканях. [40] [41] [42] Например, в печени пируваткиназа регулируется на основе доступности глюкозы. Во время голодания (глюкоза отсутствует) глюкагон активирует протеинкиназу А , которая фосфорилирует пируваткиназу, чтобы ингибировать ее. [43] Повышение уровня сахара в крови приводит к секреции инсулина , который активирует протеинфосфатазу 1 , что приводит к дефосфорилированию и повторной активации пируваткиназы. [43] Эти элементы управления не позволяют пируваткиназе быть активной одновременно с ферментами, которые катализируют обратную реакцию ( пируваткарбоксилаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа ), предотвращая бесполезный цикл . [43] Напротив, изоформа пируваткиназы, обнаруженная в мышцах, не подвержена влиянию протеинкиназы А (которая активируется адреналином в этой ткани), поэтому гликолиз остается активным в мышцах даже во время голодания. [43]
Общий процесс гликолиза:
Если бы гликолиз продолжался бесконечно, весь NAD + был бы израсходован, и гликолиз остановился бы. Чтобы гликолиз продолжался, организмы должны быть способны окислять NADH обратно в NAD + . То, как это происходит, зависит от того, какой внешний акцептор электронов доступен.
Один из методов сделать это — просто заставить пируват окислиться; в этом процессе пируват преобразуется в лактат ( сопряженное основание молочной кислоты) в процессе, называемом ферментацией молочной кислоты :
Этот процесс происходит в бактериях, участвующих в приготовлении йогурта (молочная кислота заставляет молоко сворачиваться). Этот процесс также происходит у животных в гипоксических (или частично анаэробных) условиях, например, в перегруженных мышцах, испытывающих кислородное голодание. Во многих тканях это последнее клеточное средство получения энергии; большинство тканей животных не могут переносить анаэробные условия в течение длительного периода времени.
Некоторые организмы, такие как дрожжи, преобразуют NADH обратно в NAD + в процессе, называемом этаноловой ферментацией . В этом процессе пируват сначала преобразуется в ацетальдегид и углекислый газ, а затем в этанол.
Молочнокислое брожение и этаноловое брожение могут происходить при отсутствии кислорода. Это анаэробное брожение позволяет многим одноклеточным организмам использовать гликолиз в качестве единственного источника энергии.
Аноксическая регенерация NAD + является эффективным средством производства энергии только во время коротких интенсивных упражнений у позвоночных, в течение периода от 10 секунд до 2 минут при максимальных усилиях у людей. (При более низкой интенсивности упражнений он может поддерживать мышечную активность у ныряющих животных , таких как тюлени, киты и другие водные позвоночные, в течение гораздо более длительных периодов времени.) В этих условиях NAD + восполняется за счет NADH, отдавая свои электроны пирувату для образования лактата. Это производит 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы, или около 5% энергетического потенциала глюкозы (38 молекул АТФ у бактерий). Но скорость, с которой АТФ вырабатывается таким образом, примерно в 100 раз превышает скорость окислительного фосфорилирования. pH в цитоплазме быстро падает, когда ионы водорода накапливаются в мышцах, в конечном итоге ингибируя ферменты, участвующие в гликолизе.
Жжение в мышцах во время тяжелых упражнений можно объяснить высвобождением ионов водорода во время перехода к ферментации глюкозы с окисления глюкозы до углекислого газа и воды, когда аэробный метаболизм больше не может поспевать за энергетическими потребностями мышц. Эти ионы водорода входят в состав молочной кислоты. Организм возвращается к этому менее эффективному, но более быстрому способу производства АТФ в условиях низкого содержания кислорода. Считается, что это было основным способом производства энергии у более ранних организмов до того, как кислород достиг высоких концентраций в атмосфере между 2000 и 2500 миллионами лет назад, и, таким образом, представляет собой более древнюю форму производства энергии, чем аэробное пополнение NAD + в клетках.
Печень млекопитающих избавляется от избытка лактата, преобразуя его обратно в пируват в аэробных условиях; см. цикл Кори .
Ферментацию пирувата в лактат иногда также называют «анаэробным гликолизом», однако гликолиз заканчивается образованием пирувата независимо от наличия или отсутствия кислорода.
В двух приведенных выше примерах ферментации NADH окисляется путем передачи двух электронов пирувату. Однако анаэробные бактерии используют широкий спектр соединений в качестве конечных акцепторов электронов в клеточном дыхании : азотистые соединения, такие как нитраты и нитриты; серные соединения, такие как сульфаты, сульфиты, диоксид серы и элементарная сера; диоксид углерода; соединения железа; соединения марганца; соединения кобальта; и соединения урана.
У аэробных эукариот развился сложный механизм использования кислорода воздуха в качестве конечного акцептора электронов в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . Аэробные прокариоты , у которых отсутствуют митохондрии, используют ряд более простых механизмов .
Пируват, полученный в результате гликолиза, является важным посредником в превращении углеводов в жирные кислоты и холестерин . [45] Это происходит посредством превращения пирувата в ацетил-КоА в митохондрии . Однако этот ацетил-КоА необходимо транспортировать в цитозоль, где происходит синтез жирных кислот и холестерина. Это не может произойти напрямую. Чтобы получить цитозольный ацетил-КоА, цитрат (полученный путем конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом ) удаляется из цикла лимонной кислоты и переносится через внутреннюю мембрану митохондрий в цитозоль . [45] Там он расщепляется АТФ-цитратлиазой на ацетил-КоА и оксалоацетат. Оксалоацетат возвращается в митохондрию в виде малата (а затем обратно в оксалоацетат, чтобы перенести больше ацетил-КоА из митохондрии). Цитозольный ацетил-КоА может быть карбоксилирован ацетил-КоА-карбоксилазой в малонил-КоА , что является первым шагом в синтезе жирных кислот , или он может быть объединен с ацетоацетил-КоА с образованием 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА ( ГМГ-КоА ), который является этапом, ограничивающим скорость, контролирующим синтез холестерина . [46] Холестерин может использоваться как есть, как структурный компонент клеточных мембран, или его можно использовать для синтеза стероидных гормонов , желчных солей и витамина D. [ 34] [45] [46]
Молекулы пирувата , полученные в результате гликолиза, активно транспортируются через внутреннюю митохондриальную мембрану и в матрикс, где они могут либо окисляться и соединяться с коферментом А с образованием CO2 , ацетил-КоА и НАДН [34] , либо карбоксилироваться ( пируваткарбоксилазой ) с образованием оксалоацетата . Эта последняя реакция «заполняет» количество оксалоацетата в цикле лимонной кислоты и, следовательно, является анаплеротической реакцией (от греческого слова, означающего «заполнять»), увеличивая способность цикла метаболизировать ацетил-КоА, когда энергетические потребности ткани (например, сердца и скелетных мышц ) внезапно увеличиваются из-за активности. [47] В цикле лимонной кислоты все промежуточные продукты (например, цитрат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат и оксалоацетат) регенерируются во время каждого оборота цикла. Добавление большего количества любого из этих промежуточных продуктов в митохондрию, таким образом, означает, что это дополнительное количество сохраняется в цикле, увеличивая все другие промежуточные продукты, поскольку один преобразуется в другой. Следовательно, добавление оксалоацетата значительно увеличивает количество всех промежуточных продуктов лимонной кислоты, тем самым увеличивая способность цикла метаболизировать ацетил-КоА, превращая его ацетатный компонент в CO2 и воду, с высвобождением достаточного количества энергии для образования 11 молекул АТФ и 1 молекулы ГТФ для каждой дополнительной молекулы ацетил-КоА, которая соединяется с оксалоацетатом в цикле. [47]
Для катаплеротического удаления оксалоацетата из цикла лимонной кислоты малат может транспортироваться из митохондрии в цитоплазму, уменьшая количество оксалоацетата, которое может быть регенерировано. [47] Кроме того, промежуточные продукты лимонной кислоты постоянно используются для образования различных веществ, таких как пурины, пиримидины и порфирины . [47]
В этой статье основное внимание уделяется катаболической роли гликолиза в отношении преобразования потенциальной химической энергии в полезную химическую энергию во время окисления глюкозы до пирувата. Многие метаболиты в гликолитическом пути также используются анаболическими путями, и, как следствие, поток через путь имеет решающее значение для поддержания запаса углеродных скелетов для биосинтеза. [48]
Следующие метаболические пути в значительной степени зависят от гликолиза как источника метаболитов: и многие другие.
Хотя глюконеогенез и гликолиз разделяют много промежуточных продуктов, один из них функционально не является ветвью или притоком другого. В обоих путях есть два регуляторных шага, которые, будучи активными в одном пути, автоматически неактивны в другом. Поэтому эти два процесса не могут быть одновременно активными. [49] Действительно, если бы оба набора реакций были высокоактивны в одно и то же время, конечным результатом был бы гидролиз четырех высокоэнергетических фосфатных связей (двух АТФ и двух ГТФ) за цикл реакции. [49]
NAD + является окислителем в гликолизе, как и в большинстве других метаболических реакций, дающих энергию (например, бета-окисление жирных кислот и во время цикла лимонной кислоты ). Полученный таким образом NADH в основном используется для окончательного переноса электронов на O 2 для получения воды или, когда O 2 недоступен, для получения таких соединений, как лактат или этанол (см. выше Бескислородная регенерация NAD + ). NADH редко используется для синтетических процессов, заметным исключением является глюконеогенез. Во время синтеза жирных кислот и холестерина восстановителем является NADPH . Это различие иллюстрирует общий принцип, согласно которому NADPH потребляется во время биосинтетических реакций, тогда как NADH генерируется в реакциях, дающих энергию. [49] Источник NADPH двоякий. Когда малат окислительно декарбоксилируется «NADP + -связанным яблочным ферментом» пируватом , образуются CO 2 и NADPH. НАДФН также образуется в результате пентозофосфатного пути , который преобразует глюкозу в рибозу, которая может использоваться в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот , или может катаболизироваться до пирувата. [49]
Клеточное поглощение глюкозы происходит в ответ на сигналы инсулина, и глюкоза впоследствии расщепляется посредством гликолиза, снижая уровень сахара в крови. Однако резистентность к инсулину или низкий уровень инсулина, наблюдаемые при диабете, приводят к гипергликемии, когда уровень глюкозы в крови повышается, и глюкоза не усваивается клетками должным образом. Гепатоциты далее способствуют этой гипергликемии посредством глюконеогенеза . Гликолиз в гепатоцитах контролирует выработку глюкозы печенью, и когда глюкоза вырабатывается в избыточном количестве печенью без возможности ее расщепления организмом, возникает гипергликемия. [50]
Гликолитические мутации, как правило, редки из-за важности метаболического пути; большинство возникающих мутаций приводят к неспособности клетки дышать и, следовательно, вызывают гибель клетки на ранней стадии. Однако некоторые мутации ( болезни накопления гликогена и другие врожденные ошибки углеводного обмена ) наблюдаются, одним из ярких примеров является дефицит пируваткиназы , приводящий к хронической гемолитической анемии. [ необходима цитата ]
При комбинированной малоновой и метилмалоновой ацидурии (CMAMMA) из-за дефицита ACSF3 гликолиз снижается на 50%, что вызвано снижением липоилирования митохондриальных ферментов, таких как комплекс пируватдегидрогеназы и комплекс α-кетоглутаратдегидрогеназы . [51]
Клетки злокачественных опухолей выполняют гликолиз со скоростью, которая в десять раз быстрее, чем их аналоги из нераковых тканей. [52] Во время их генезиса ограниченная капиллярная поддержка часто приводит к гипоксии (снижению подачи O2) внутри опухолевых клеток. Таким образом, эти клетки полагаются на анаэробные метаболические процессы, такие как гликолиз для АТФ (аденозинтрифосфата). Некоторые опухолевые клетки сверхэкспрессируют специфические гликолитические ферменты, что приводит к более высоким скоростям гликолиза. [53] Часто эти ферменты являются изоферментами традиционных ферментов гликолиза, которые различаются по своей восприимчивости к традиционному ингибированию обратной связи. Увеличение гликолитической активности в конечном итоге противодействует эффектам гипоксии, генерируя достаточное количество АТФ из этого анаэробного пути. [54] Это явление было впервые описано в 1930 году Отто Варбургом и называется эффектом Варбурга . Гипотеза Варбурга утверждает, что рак в первую очередь вызван дисфункцией митохондриального метаболизма, а не неконтролируемым ростом клеток. Для объяснения эффекта Варбурга было выдвинуто несколько теорий. Одна из таких теорий предполагает, что повышенный гликолиз является нормальным защитным процессом организма и что злокачественные изменения могут быть вызваны в первую очередь энергетическим метаболизмом. [55]
Высокая скорость гликолиза имеет важное медицинское применение, поскольку высокий аэробный гликолиз злокачественных опухолей используется в клинической практике для диагностики и мониторинга результатов лечения рака путем визуализации поглощения 2-18 F-2-дезоксиглюкозы (ФДГ) ( радиоактивного модифицированного субстрата гексокиназы ) с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). [ 56 ] [57]
Продолжаются исследования по влиянию на митохондриальный метаболизм и лечению рака путем снижения гликолиза и, таким образом, лишения раковых клеток пищи различными новыми способами, включая кетогенную диету . [58] [59] [60]
На схеме ниже показаны названия белков человека. Названия в других организмах могут быть другими, и количество изоферментов (таких как HK1, HK2, ...) также, вероятно, будет другим.
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Некоторые метаболиты в гликолизе имеют альтернативные названия и номенклатуру. Отчасти это связано с тем, что некоторые из них являются общими для других путей, таких как цикл Кальвина .
Промежуточные продукты гликолиза, изображенные в проекциях Фишера, показывают химические изменения шаг за шагом. Такое изображение можно сравнить с полигональным модельным представлением. [61]
