Гликолиз — это метаболический путь , который превращает глюкозу ( C 6 H 12 O 6 ) в пируват и у большинства организмов происходит в жидкой части клеток (цитозоле ) . Высвобождающаяся при этом свободная энергия 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 путь метаболизма. [2] Действительно, реакции, составляющие гликолиз и его параллельный путь, пентозофосфатный путь , могут протекать в бескислородных условиях архейских океанов, в том числе и в отсутствие ферментов, катализируемых ионами металлов, т.е. вероятный пребиотический путь абиогенеза . [3]
Наиболее распространенным типом гликолиза является путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП) , который был открыт Густавом Эмбденом , Отто Мейергофом и Якубом Каролем Парнасом . Гликолиз также относится к другим путям, таким как путь Энтнера-Дудорова и различные гетероферментативные и гомоферментативные пути. Однако обсуждение здесь будет ограничено путем Эмбдена–Мейергофа–Парнаса. [4]
Путь гликолиза можно разделить на две фазы: [5]
Общая реакция гликолиза:
Использование символов в этом уравнении делает его несбалансированным по отношению к атомам кислорода, атомам водорода и зарядам. Атомный баланс поддерживается двумя фосфатными (P i ) группами: [6]
Заряды уравновешиваются разницей между ADP и ATP. В клеточной среде все три гидроксильные группы АДФ диссоциируют на -О - и Н + , давая АДФ 3- , и этот ион имеет тенденцию существовать в ионной связи с Mg 2+ , давая АДФМг - . АТФ ведет себя идентично, за исключением того, что он имеет четыре гидроксильные группы, образующие ATPMg 2- . Когда эти различия вместе с истинными зарядами двух фосфатных групп рассматриваются вместе, чистые заряды -4 с каждой стороны уравновешиваются.
При простой ферментации метаболизм одной молекулы глюкозы в две молекулы пирувата дает чистый выход двух молекул АТФ. Большинство клеток затем проведут дальнейшие реакции, чтобы «погасить» использованный НАД + и произвести конечный продукт — этанол или молочную кислоту . Многие бактерии используют неорганические соединения в качестве акцепторов водорода для регенерации НАД + .
Клетки, осуществляющие аэробное дыхание, синтезируют гораздо больше АТФ, но не в рамках гликолиза. В этих дальнейших аэробных реакциях используется пируват и НАДН+Н + в результате гликолиза. Аэробное дыхание эукариот производит примерно 34 дополнительные молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, однако большинство из них производятся по механизму, сильно отличающемуся от фосфорилирования на уровне субстрата при гликолизе.
Более низкое производство энергии на глюкозу при анаэробном дыхании по сравнению с аэробным дыханием приводит к большему потоку через путь в условиях гипоксии (с низким содержанием кислорода), если не найдены альтернативные источники анаэробно окисляемых субстратов, таких как жирные кислоты.
Для полного выяснения пути гликолиза, известного сегодня, потребовалось почти 100 лет. [7] Для понимания пути в целом потребовались объединенные результаты множества небольших экспериментов.
Первые шаги в понимании гликолиза начались в девятнадцатом веке с винодельческой промышленности. По экономическим причинам французская винодельческая промышленность стремилась выяснить, почему вино иногда становится неприятным, вместо того, чтобы сбраживаться в алкоголь. Французский ученый Луи Пастер исследовал этот вопрос в 1850-х годах, и результаты его экспериментов положили начало долгому пути к выяснению пути гликолиза. [8] Его эксперименты показали, что брожение происходит под действием живых микроорганизмов , дрожжей, и что потребление глюкозы дрожжами снижается в аэробных условиях брожения по сравнению с анаэробными условиями ( эффект Пастера ). [9]
Понимание составляющих этапов гликолиза было предоставлено экспериментами Эдуарда Бюхнера по неклеточной ферментации в 1890-х годах. [10] [11] Бюхнер 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 более поздним ученым проанализировать этот путь в более контролируемых лабораторных условиях. В серии экспериментов (1905-1911) учёные Артур Харден и Уильям Янг открыли ещё кусочки гликолиза. [13] Они обнаружили регулирующее влияние АТФ на потребление глюкозы во время спиртового брожения. Они также пролили свет на роль одного соединения в качестве промежуточного продукта гликолиза: фруктозо-1,6-бисфосфата. [12] : 151–158.
Выявление фруктозо-1,6-бисфосфата было достигнуто путем измерения уровня CO 2 при инкубировании дрожжевого сока с глюкозой. Производство CO 2 быстро росло, а затем замедлилось. Харден и Янг отметили, что этот процесс возобновится, если в смесь добавить неорганический фосфат (Pi). Харден и Янг пришли к выводу, что в результате этого процесса образуются органические эфиры фосфорной кислоты, а дальнейшие эксперименты позволили им извлечь фруктозодифосфат (F-1,6-DP).
Артур Харден и Уильям Янг вместе с Ником Шеппардом во втором эксперименте определили, что термочувствительная субклеточная фракция с высокой молекулярной массой (ферменты) и термонечувствительная низкомолекулярная фракция цитоплазмы (АДФ, АТФ и НАД) + и другие кофакторы ) необходимы вместе для продолжения ферментации. Этот эксперимент начался с наблюдения, что диализованный (очищенный) дрожжевой сок не может ферментировать или даже создавать фосфат сахара. Эту смесь удалось спасти, добавив кипяченный недиализированный дрожжевой экстракт. Кипячение дрожжевого экстракта делает все белки неактивными (поскольку они денатурируют). Способность кипяченого экстракта и диализированного сока к полному брожению позволяет предположить, что кофакторы имели небелковую природу. [13]
В 1920-х годах Отто Мейергофу удалось связать воедино некоторые из множества отдельных фрагментов гликолиза, открытых Бюхнером, Харденом и Янгом. Мейерхоф и его команда смогли извлечь из мышечной ткани различные гликолитические ферменты и объединить их, чтобы искусственно создать путь от гликогена к молочной кислоте. [14] [15]
В одной статье Мейерхоф и ученый Рената Юнович-Коколати исследовали реакцию, которая расщепляет фруктозо-1,6-дифосфат на два триозофосфата. Предыдущая работа предположила, что расщепление происходит посредством 1,3-дифосфоглицеральдегида плюс окислительного фермента и козимазы. Мейерхофф и Юнович обнаружили, что на константу равновесия реакции изомеразы и альдозы не влияют неорганические фосфаты или любые другие козимазы или окислительные ферменты. Далее они удалили дифосфоглицеральдегид как возможный промежуточный продукт гликолиза. [15]
Имея все эти материалы к 1930-м годам, Густав Эмбден предложил подробную, пошаговую схему того пути, который мы теперь знаем как гликолиз. [16] Самые большие трудности в определении сложности 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 разгадали загадку гликолиза. [15] В последующие десятилетия понимание изолированного пути расширилось и включило 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 ).
Как только глюкоза попадает в клетку, первым шагом является фосфорилирование глюкозы семейством ферментов, называемых гексокиназами , с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P). Эта реакция потребляет АТФ, но поддерживает низкую концентрацию глюкозы внутри клетки, способствуя непрерывному транспорту глюкозы в клетку через транспортеры плазматической мембраны. Кроме того, фосфорилирование блокирует утечку глюкозы – в клетке отсутствуют транспортеры G6P, и свободная диффузия из клетки предотвращается из-за заряженной природы G6P. Альтернативно, глюкоза может образовываться в результате фосфоролиза или гидролиза внутриклеточного крахмала или гликогена.
У животных в печени используется также изофермент гексокиназы, называемый глюкокиназой, который имеет гораздо меньшее сродство к глюкозе (К м вблизи нормальной гликемии ) и отличается регуляторными свойствами . Различное сродство к субстрату и попеременная регуляция этого фермента отражают роль печени в поддержании уровня сахара в крови.
Кофакторы: Mg 2+
G6P затем перегруппировывается во фруктозо-6-фосфат (F6P) под действием глюкозо-фосфат-изомеразы . На этом этапе фруктоза также может вступать в гликолитический путь путем фосфорилирования.
Изменение структуры представляет собой изомеризацию, при которой G6P превращается в F6P. Для проведения реакции требуется фермент фосфоглюкозоизомераза. Эта реакция свободно обратима в нормальных клеточных условиях. Однако он часто продвигается 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 кетосахар необходима для стабилизации карбаниона на четвертой стадии реакции (ниже).
Затраты энергии другой АТФ на этом этапе оправданы двумя способами: Гликолитический процесс (до этого этапа) становится необратимым, и подведенная энергия дестабилизирует молекулу. Поскольку реакция, катализируемая фосфофруктокиназой 1 (PFK-1), связана с гидролизом АТФ (энергетически выгодная стадия), она, по сути, необратима, и для обратного преобразования во время глюконеогенеза необходимо использовать другой путь . Это делает реакцию ключевым моментом регулирования (см. ниже).
Кроме того, второе событие фосфорилирования необходимо для образования двух заряженных групп (а не только одной) на последующей стадии гликолиза, обеспечивая предотвращение свободной диффузии субстратов из клетки.
Эту же реакцию может катализировать пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа ( PFP или PPi-PFK ), которая обнаружена 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 ADP-зависимый вариант фермента PFK был идентифицирован у архейских видов. [18]
Кофакторы: Mg 2+
Дестабилизация молекулы в предыдущей реакции позволяет гексозному кольцу расщепиться альдолазой на два триозных сахара: дигидроксиацетонфосфат (кетоза) и глицеральдегид-3-фосфат (альдоза). Существует два класса альдолаз: альдолазы I класса, присутствующие у животных и растений, и альдолазы II класса, присутствующие в грибах и бактериях; эти два класса используют разные механизмы расщепления кетозного кольца.
Электроны, делокализованные при разрыве связи углерод-углерод, присоединяются к спиртовой группе. Образующийся карбанион стабилизируется за счет структуры самого карбаниона за счет резонансного распределения заряда и присутствия простетической группы заряженного иона.
Триозофосфат-изомераза быстро превращает дигидроксиацетонфосфат в глицеральдегид-3-фосфат ( GADP ), который переходит в гликолиз. Это выгодно, поскольку оно направляет дигидроксиацетонфосфат по тому же пути, что и глицеральдегид-3-фосфат, упрощая регуляцию.
Вторая половина гликолиза известна как фаза отдачи, характеризующаяся чистым приростом богатых энергией молекул АТФ и НАДН. [5] Поскольку на подготовительном этапе глюкоза приводит к образованию двух триозных сахаров, каждая реакция на этапе отдачи 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 от гликолитического пути на глюкозу.
Альдегидные группы триозных сахаров окисляются , и к ним присоединяется неорганический фосфат , образуя 1,3-бисфосфоглицерат .
Водород используется для восстановления двух молекул НАД + , носителя водорода, с образованием НАДН + Н + для каждой триозы.
Баланс атомов водорода и баланс зарядов сохраняются, поскольку фосфатная группа (P i ) фактически существует в форме аниона гидрофосфата ( HPO2-4), [6] который диссоциирует с образованием дополнительного иона H + и дает суммарный заряд -3 с обеих сторон.
Здесь арсенат ( [AsO 4 ] 3- ), анион, родственный неорганическому фосфату, может заменять фосфат в качестве субстрата с образованием 1-арсено-3-фосфоглицерата. Однако он нестабилен и легко гидролизуется с образованием 3-фосфоглицерата , промежуточного продукта на следующем этапе пути. В результате пропуска этого этапа молекула АТФ, образующаяся из 1-3 бисфосфоглицерата в следующей реакции, не будет образовываться, даже если реакция протекает. В результате арсенат является разобщителем гликолиза. [19]
Этот этап представляет собой ферментативный перенос фосфатной группы от 1,3-бисфосфоглицерата к АДФ с помощью фосфоглицераткиназы с образованием АТФ и 3-фосфоглицерата . На этом этапе гликолиз достиг точки безубыточности: израсходовано 2 молекулы АТФ, и теперь синтезированы 2 новые молекулы. Этот этап, один из двух этапов фосфорилирования на уровне субстрата , требует ADP; таким образом, когда в клетке много АТФ (и мало АДФ), эта реакция не происходит. Поскольку АТФ распадается относительно быстро, когда он не метаболизируется, это важный регуляторный момент гликолитического пути.
ADP фактически существует как ADPMg − , а ATP как ATPMg 2− , уравновешивая заряды на уровне -5 с обеих сторон.
Кофакторы: Mg 2+
Фосфоглицератмутаза изомеризует 3-фосфоглицерат в 2-фосфоглицерат .
Энолаза затем превращает 2-фосфоглицерат в фосфоенолпируват . Эта реакция представляет собой реакцию элиминирования с участием механизма E1cB .
Кофакторы: 2 Mg 2+ , один «конформационный» ион, координирующийся 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 этапом регуляции, аналогичным этапу фосфоглицераткиназы.
Кофакторы: Mg 2+
Существование более чем одной точки регуляции указывает на то, что промежуточные соединения между этими точками входят в путь гликолиза и покидают его посредством других процессов. Например, на первом регулируемом этапе гексокиназа превращает глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Вместо продолжения пути гликолиза этот промежуточный продукт может превращаться в молекулы хранения глюкозы, такие как гликоген или крахмал . Обратная реакция, при расщеплении, например, гликогена, дает главным образом глюкозо-6-фосфат; В реакции образуется очень мало свободной глюкозы. Полученный таким образом глюкозо-6-фосфат может вступать в гликолиз после первой контрольной точки.
На втором регулируемом этапе (третий этап гликолиза) фосфофруктокиназа превращает фруктозо-6-фосфат во фруктозо-1,6-бисфосфат, который затем превращается в глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Дигидроксиацетонфосфат можно удалить из гликолиза путем превращения в глицерин-3-фосфат, который можно использовать для образования триглицеридов. [20] И наоборот, триглицериды могут расщепляться на жирные кислоты и глицерин; последний, в свою очередь, может превращаться в дигидроксиацетонфосфат, который после второй контрольной точки может вступать в гликолиз.
Изменение свободной энергии ΔG для каждой стадии пути гликолиза можно рассчитать, используя ΔG = ΔG ° ' + RT ln Q , где Q — коэффициент реакции . Для этого необходимо знать концентрации метаболитов . Все эти значения доступны для эритроцитов , за исключением концентраций НАД + и НАДН. Соотношение НАД + к НАДН в цитоплазме составляет примерно 1000, что делает окисление глицеральдегид-3-фосфата (стадия 6) более выгодным.
Используя измеренные концентрации на каждом этапе и стандартные изменения свободной энергии, можно рассчитать фактическое изменение свободной энергии. (Игнорирование этого очень распространено: дельта G гидролиза АТФ в клетках не является стандартным изменением свободной энергии при гидролизе АТФ, указанным в учебниках).
Измерение физиологических концентраций метаболитов в эритроцитах показывает, что около семи стадий гликолиза находятся в равновесии для этого типа клеток. Три из стадий — с большими отрицательными изменениями свободной энергии — не находятся в равновесии и называются необратимыми ; такие шаги часто подлежат регулированию.
Шаг 5 на рисунке показан позади других этапов, поскольку этот этап представляет собой побочную реакцию, которая может уменьшить или увеличить концентрацию промежуточного глицеральдегид-3-фосфата. Это соединение превращается в дигидроксиацетонфосфат с помощью фермента триозофосфатизомеразы, который является каталитически совершенным ферментом; ее скорость настолько высока, что можно предположить, что реакция находится в равновесии. Тот факт, что ΔG не равен нулю, указывает на то, что фактические концентрации в эритроцитах точно не известны.
Ферменты, катализирующие гликолиз, регулируются с помощью ряда биологических механизмов, чтобы контролировать общий поток гликолиза. Это жизненно важно как для гомеостаза в статической среде, так и для метаболической адаптации к изменяющейся среде или потребностям. [22] Детали регуляции некоторых ферментов высококонсервативны у разных видов, 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 островков поджелудочной железы чувствительны к концентрации глюкозы в крови. [31] Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к выбросу инсулина в кровь, что особенно влияет 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 высвобождать глюкагон в кровь. [31] Это, в свою очередь, заставляет печень выделять глюкозу в кровь путем расщепления накопленного гликогена и посредством глюконеогенеза. Если падение уровня глюкозы в крови особенно быстрое или сильное, другие датчики глюкозы вызывают выброс адреналина из надпочечников в кровь. Он 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 клетках печени, жировых и мышечных клеток. Так, фосфорилирование фосфофруктокиназы ингибирует гликолиз, тогда как ее дефосфорилирование под действием инсулина стимулирует гликолиз. [32]
Тремя регуляторными ферментами являются 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, регулирующие гликолиз, действуют в первую очередь для обеспечения АТФ в количествах, достаточных 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 (таким образом предотвращая гипергликемию , сохраняя избыток глюкозы в виде жира или гликогена, в зависимости от типа ткани). Печень также способна выбрасывать глюкозу в кровь между приемами пищи, во время голодания и физических упражнений, предотвращая таким образом гипогликемию посредством гликогенолиза и глюконеогенеза . Эти последние реакции совпадают с остановкой гликолиза в печени.
Кроме того, гексокиназа и глюкокиназа действуют независимо от гормональных эффектов, контролируя точки 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, обеспечивая полностью внутриклеточный контроль гликолитического пути в различных тканях (см. Ниже). [32]
Когда глюкоза превращается в G6P под действием гексокиназы или глюкокиназы, она может либо превращаться в глюкозо-1-фосфат (G1P) для превращения в гликоген , либо, альтернативно, посредством гликолиза превращается в пируват , который поступает в митохондрии , где превращается в ацетил-КоА , а затем в цитрат . Избыток цитрата экспортируется из митохондрий обратно в цитозоль, где АТФ-цитратлиаза регенерирует ацетил-КоА и оксалоацетат (ОАА). Ацетил-КоА затем используется для синтеза жирных кислот и синтеза холестерина — двух важных способов использования избытка глюкозы, когда ее концентрация в крови высока. Регулируемые ферменты, катализирующие эти реакции, выполняют эти функции, когда они дефосфорилируются под действием инсулина на клетки печени. Между приемами пищи, во время голодания , физических упражнений или гипогликемии в кровь выбрасываются глюкагон и адреналин. Это приводит к тому, что гликоген печени превращается обратно в G6P, а затем превращается в глюкозу с помощью специфического для печени фермента глюкозо-6-фосфатазы и высвобождается в кровь. Глюкагон и адреналин также стимулируют глюконеогенез, который превращает 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 в большинстве случаев мозг использует глюкозу в качестве источника энергии. [33] Одновременное фосфорилирование, в частности, фосфофруктокиназы , а также, в определенной степени, пируваткиназы, предотвращает гликолиз, происходящий одновременно с глюконеогенезом и гликогенолизом.
Во всех клетках содержится фермент гексокиназа , катализирующий превращение поступившей в клетку глюкозы в глюкозо-6-фосфат (Г6Ф). Поскольку клеточная мембрана непроницаема для G6P, гексокиназа по существу транспортирует глюкозу в клетки, из которых она больше не может выйти. 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, запасающих гликоген, а именно в печени и мышцах). [32] [34]
Глюкокиназа , в отличие от гексокиназы , не ингибируется G6P. Он происходит в клетках печени и фосфорилирует глюкозу, поступающую в клетку, с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P) только тогда, когда глюкозы в крови много. Это первый этап гликолитического пути в печени, поэтому он обеспечивает дополнительный уровень контроля гликолитического пути в этом органе. [32]
Фосфофруктокиназа является важной контрольной точкой гликолитического пути, поскольку она является одним из необратимых этапов и имеет ключевые аллостерические эффекторы: АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфат (F2,6BP).
Фруктозо-2,6-бисфосфат (F2,6BP) является очень мощным активатором фосфофруктокиназы (PFK-1), которая синтезируется при фосфорилировании F6P второй фосфофруктокиназой ( PFK2 ). В печени, когда уровень сахара в крови низкий, а глюкагон повышает цАМФ, PFK2 фосфорилируется протеинкиназой А. Фосфорилирование инактивирует PFK2 , и другой домен этого белка становится активным как фруктозобисфосфатаза-2, которая превращает F2,6BP обратно в F6P. И глюкагон , и адреналин вызывают высокий уровень цАМФ в печени. Результатом более низких уровней фруктозо-2,6-бисфосфата в печени является снижение активности фосфофруктокиназы и повышение активности фруктозо-1,6-бисфосфатазы , так что благоприятствует глюконеогенез (по сути, «обратный гликолиз»). Это согласуется с ролью печени в таких ситуациях, поскольку ответом печени на эти гормоны является выброс глюкозы в кровь.
АТФ конкурирует с АМФ за аллостерический эффекторный участок фермента ПФК. Концентрации АТФ в клетках намного выше, чем у АМФ, обычно в 100 раз выше [35] , но концентрация АТФ не меняется более чем на 10% в физиологических условиях, тогда как падение АТФ на 10% приводит к 6-кратному снижению концентрации АТФ в клетках. кратное увеличение AMP. [36] Таким образом, значимость АТФ как аллостерического эффектора сомнительна. Увеличение АМФ является следствием уменьшения 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 главным образом для превращения в ацетил-КоА для синтеза жирных кислот и холестерина .
TIGAR , фермент, индуцируемый р53, отвечает за регуляцию фосфофруктокиназы и защищает от окислительного стресса. [37] TIGAR представляет собой единственный фермент с двойной функцией, который регулирует F2,6BP. Он может вести себя как фосфатаза (фруктуозо-2,6-бисфосфатаза), которая расщепляет фосфат по углероду-2 с образованием F6P. Он также может вести себя как киназа (PFK2), добавляя фосфат к углероду-2 F6P, что приводит к образованию F2,6BP. У человека белок TIGAR кодируется геном C12orf5 . Фермент TIGAR будет препятствовать дальнейшему развитию гликолиза, создавая накопление фруктозо-6-фосфата (F6P), который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат (G6P). Накопление G6P будет переводить углероды в пентозофосфатный путь. [38] [39]
Последний этап гликолиза катализируется пируваткиназой с образованием пирувата и другого АТФ. Он регулируется рядом различных транскрипционных, ковалентных и нековалентных механизмов регуляции, которые могут широко варьироваться в разных тканях. [40] [41] [42] Например, в печени пируваткиназа регулируется в зависимости от доступности глюкозы. Во время голодания (глюкоза отсутствует) глюкагон активирует протеинкиназу А , которая фосфорилирует пируваткиназу, ингибируя ее. [43] Увеличение уровня сахара в крови приводит к секреции инсулина , который активирует протеинфосфатазу 1 , что приводит к дефосфорилированию и повторной активации пируваткиназы. [43] Эти средства контроля предотвращают активность пируваткиназы одновременно с активностью ферментов, катализирующих обратную реакцию ( пируваткарбоксилаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа ), предотвращая бесполезный цикл . [43] И наоборот, изоформа пируваткиназы, обнаруженная в мышцах, не подвергается воздействию протеинкиназы А (которая активируется адреналином в этой ткани), так что гликолиз остается активным в мышцах даже во время голодания. [43]
Общий процесс гликолиза:
Если бы гликолиз продолжался бесконечно, весь НАД + был бы израсходован, и гликолиз прекратился бы. Чтобы гликолиз мог продолжаться, организмы должны быть способны окислять НАДН обратно до НАД + . Как это осуществляется, зависит от того, какой внешний акцептор электронов доступен.
Один из способов сделать это — просто заставить пируват совершить окисление; в этом процессе пируват превращается в лактат ( основание, сопряженное с молочной кислотой) в процессе, называемом молочнокислым брожением :
Этот процесс происходит в бактериях , участвующих в приготовлении йогурта (молочная кислота вызывает свертывание молока). Этот процесс происходит и у животных в гипоксических (или частично анаэробных) условиях, например, в переутомленных мышцах, которым не хватает кислорода. Во многих тканях это последнее средство получения энергии для клеток; большинство тканей животных не могут переносить анаэробные условия в течение длительного периода времени.
Некоторые организмы, такие как дрожжи, преобразуют НАДН обратно в НАД + в процессе, называемом ферментацией этанола . В этом процессе пируват сначала превращается в ацетальдегид и углекислый газ, а затем в этанол.
Молочнокислое брожение и этаноловое брожение могут происходить в отсутствие кислорода. Эта анаэробная ферментация позволяет многим одноклеточным организмам использовать гликолиз в качестве единственного источника энергии.
Аноксическая регенерация НАД + является лишь эффективным средством производства энергии во время коротких интенсивных упражнений у позвоночных в течение периода от 10 секунд до 2 минут при максимальном усилии 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 НАД + пополняется за счет НАДН, отдавая свои электроны пирувату с образованием лактата. . При этом на одну молекулу глюкозы приходится 2 молекулы АТФ, или около 5% энергетического потенциала глюкозы (38 молекул АТФ у бактерий). Но скорость, с которой производится таким образом АТФ, примерно в 100 раз превышает скорость окислительного фосфорилирования. Уровень pH в цитоплазме быстро падает, когда ионы водорода накапливаются в мышцах, что в конечном итоге ингибирует ферменты, участвующие в гликолизе.
Ощущение жжения в мышцах во время тяжелых упражнений можно объяснить высвобождением ионов водорода во время перехода к ферментации глюкозы от окисления глюкозы к углекислому газу и воде, когда аэробный метаболизм больше не может идти в ногу с энергетическими потребностями мышц. Эти ионы водорода входят в состав молочной кислоты. Организм прибегает к этому менее эффективному, но более быстрому методу производства АТФ в условиях низкого содержания кислорода. Считается, что это было основным средством 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 НАД + в клетки.
Печень млекопитающих избавляется от избытка лактата, превращая его обратно в пируват в аэробных условиях; см. цикл Кори .
Ферментацию пирувата до лактата иногда еще называют «анаэробным гликолизом», однако гликолиз заканчивается образованием пирувата независимо от присутствия или отсутствия кислорода.
В двух приведенных выше примерах ферментации НАДН окисляется путем передачи двух электронов пирувату. Однако анаэробные бактерии используют широкий спектр соединений в качестве терминальных акцепторов электронов при клеточном дыхании : азотистые соединения, такие как нитраты и нитриты; соединения серы, такие как сульфаты, сульфиты, диоксид серы и элементарная сера; углекислый газ; 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 множество более простых механизмов .
Пируват, образующийся в результате гликолиза, является важным посредником в превращении углеводов в жирные кислоты и холестерин . [45] Это происходит посредством превращения пирувата в ацетил-КоА в митохондриях . 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 при конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом ) удаляется из цикла лимонной кислоты и переносится через внутреннюю митохондриальную мембрану в цитозоль . [45] Там он расщепляется АТФ-цитратлиазой на ацетил-КоА и оксалоацетат. Оксалоацетат возвращается в митохондрии в виде малата (а затем обратно в оксалоацетат для переноса большего количества ацетил-КоА из митохондрии). Цитозольный ацетил-КоА может карбоксилироваться ацетил-КоА-карбоксилазой с образованием малонил-КоА , что является первой стадией синтеза жирных кислот , или он может объединяться с ацетоацетил-КоА с образованием 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА ( HMG) . -КоА ), который является лимитирующей стадией, контролирующей синтез холестерина . [46] Холестерин можно использовать 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, образующиеся в результате гликолиза , активно транспортируются через внутреннюю митохондриальную мембрану в матрикс, где они могут либо окисляться и соединяться с коферментом А с образованием CO 2 , ацетил-КоА и НАДН [34] , либо карбоксилироваться ( (34 ) под действием пируваткарбоксилазы ) с образованием оксалоацетата . Эта последняя реакция «восполняет» количество оксалоацетата в цикле лимонной кислоты и, следовательно, является анаплеротической реакцией (от греческого значения «заполнять»), увеличивая способность цикла метаболизировать ацетил-КоА, когда ткани нуждаются в энергии ( например, в сердце и скелетных мышцах ) внезапно увеличиваются при активности. [47] В цикле лимонной кислоты все промежуточные соединения (например, цитрат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат и оксалоацетат) регенерируются во время каждого цикла цикла. Таким образом, добавление большего количества любого из этих промежуточных продуктов в митохондрии означает, что это дополнительное количество сохраняется в цикле, увеличивая количество всех других промежуточных продуктов по мере превращения одного в другое. Следовательно, добавление оксалоацетата значительно увеличивает количество всех промежуточных продуктов лимонной кислоты, тем самым увеличивая способность цикла метаболизировать ацетил-КоА, превращая его ацетатный компонент в CO 2 и воду, с высвобождением достаточного количества энергии для образования 11 молекул АТФ и 1 молекулы ГТФ . на каждую дополнительную молекулу ацетил-КоА, соединяющуюся с оксалоацетатом в цикле. [47]
Чтобы катаплеротически удалить оксалоацетат из цикла лимонных кислот, малат может транспортироваться из митохондрий в цитоплазму, уменьшая количество оксалоацетата, которое может быть регенерировано. [47] Кроме того, промежуточные соединения лимонной кислоты постоянно используются для образования различных веществ, таких как пурины, пиримидины и порфирины . [47]
Эта статья концентрируется на катаболической роли гликолиза в отношении преобразования потенциальной химической энергии в полезную химическую энергию во время окисления глюкозы до пирувата. Многие из метаболитов гликолитического пути также используются анаболическими путями, и, как следствие, поток через этот путь имеет решающее значение для поддержания запаса углеродных скелетов для биосинтеза. [ нужна цитата ]
Следующие метаболические пути в значительной степени зависят от гликолиза как источника метаболитов: и многие другие.
Хотя глюконеогенез и гликолиз имеют много общих промежуточных продуктов, один из них функционально не является ветвью или притоком другого. В обоих путях есть два регуляторных этапа, которые, будучи активными в одном пути, автоматически неактивны в другом. Поэтому два процесса не могут быть активными одновременно. [48] Действительно, если бы оба набора реакций были высокоактивными одновременно, конечным результатом был бы гидролиз четырех высокоэнергетических фосфатных связей (двух АТФ и двух ГТФ) за реакционный цикл. [48]
НАД + является окислителем при гликолизе, как и в большинстве других метаболических реакций, дающих энергию (например, бета-окисление жирных кислот и во время цикла лимонной кислоты ). Полученный таким образом НАДН в основном используется для окончательного переноса электронов на О 2 для производства воды или, когда О 2 недоступен, для производства таких соединений, как лактат или этанол (см. Аноксическая регенерация НАД + выше). НАДН редко используется в синтетических процессах, за исключением глюконеогенеза . В процессе синтеза жирных кислот и холестерина восстановителем является НАДФН . Это различие иллюстрирует общий принцип, согласно которому НАДФН расходуется во время реакций биосинтеза, тогда как НАДН генерируется в реакциях с выделением энергии. [48] Источник НАДФН двоякий. Когда малат окислительно декарбоксилируется пируватом , связанным с НАДФ + -яблочным ферментом , образуются CO 2 и НАДФН. НАДФН также образуется по пентозофосфатному пути , который превращает глюкозу в рибозу, которая может быть использована в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот . или он может катаболизироваться до пирувата. [48]
Поглощение глюкозы клетками происходит в ответ на сигналы инсулина, а затем глюкоза расщепляется посредством гликолиза, снижая уровень сахара в крови. Однако низкие уровни инсулина, наблюдаемые при диабете, приводят к гипергликемии, когда уровень глюкозы в крови повышается, и глюкоза не усваивается клетками должным образом. Гепатоциты также способствуют этой гипергликемии посредством глюконеогенеза . Гликолиз в гепатоцитах контролирует выработку глюкозы в печени, и когда глюкоза перепроизводится печенью, не имея возможности расщепляться организмом, возникает гипергликемия. [49]
Гликолитические мутации обычно встречаются редко из-за важности метаболического пути; большинство возникающих мутаций приводят к неспособности клетки дышать и, следовательно, вызывают гибель клетки на ранней стадии. Однако наблюдаются некоторые мутации ( болезни накопления гликогена и другие врожденные нарушения углеводного обмена ), одним из ярких примеров которых является дефицит пируваткиназы , приводящий к хронической гемолитической анемии. [ нужна цитата ]
Клетки злокачественных опухолей осуществляют гликолиз со скоростью, которая в десять раз быстрее, чем их аналоги из нераковых тканей. [50] Во время их возникновения ограниченная капиллярная поддержка часто приводит к гипоксии (снижению снабжения O2) внутри опухолевых клеток. Таким образом, эти клетки полагаются на анаэробные метаболические процессы, такие как гликолиз АТФ (аденозинтрифосфат). Некоторые опухолевые клетки сверхэкспрессируют специфические гликолитические ферменты, что приводит к более высокой скорости гликолиза. [51] Часто эти ферменты представляют собой изоферменты традиционных ферментов гликолиза, которые различаются по своей восприимчивости к традиционному ингибированию по принципу обратной связи. Увеличение гликолитической активности в конечном итоге нейтрализует последствия гипоксии за счет генерации достаточного количества АТФ по этому анаэробному пути. [52] 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 был выдвинут ряд теорий. Одна из таких теорий предполагает, что повышенный гликолиз является нормальным защитным процессом организма и что злокачественные изменения могут быть в первую очередь вызваны энергетическим метаболизмом. [53]
Эта высокая скорость гликолиза имеет важные медицинские применения, поскольку высокий аэробный гликолиз злокачественными опухолями используется в клинических целях для диагностики и мониторинга реакции на лечение рака путем визуализации поглощения 2-18 F -2-дезоксиглюкозы (ФДГ) ( радиоактивно модифицированного субстрата гексокиназы ) с позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). [54] [55]
Продолжаются исследования по влиянию на митохондриальный метаболизм и лечению рака путем уменьшения гликолиза и, таким образом, голодания раковых клеток различными новыми способами, включая кетогенную диету . [56] [57] [58]
На диаграмме ниже показаны названия белков человека. Названия у других организмов могут быть другими, и количество изоферментов (например, HK1, HK2, ...), вероятно, тоже будет другим.
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Некоторые метаболиты гликолиза имеют альтернативные названия и номенклатуру. Частично это связано с тем, что некоторые из них являются общими для других путей, таких как цикл Кальвина .
Промежуточные продукты гликолиза, изображенные в проекциях Фишера, демонстрируют постепенное химическое изменение. Такое изображение можно сравнить с представлением полигональной модели. [59] Еще одно сравнение проекций Фишера и полигональной модели гликолиза показано на видео. [60] На том же канале YouTube можно увидеть анимацию другого метаболического пути (цикла Кребса), а также представления и применения полигональной модели в органической химии [61].
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)