КОРНЕВЫЕ ТЕРМИНОЭЛЕМЕНТЫ

Гликолиз — катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров. Пируват также может быть использован для синтеза аланина, аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.

Глико́лиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена — Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса ) — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.

Название «гликолиз» происходит от греч.  — сладкий и греч.  — растворение.

В клетках эукариотических организмов десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до ПВК, находятся в цитозоле, все остальные ферменты, имеющие отношение к энергетическому обмену, — в митохондриях и хлоропластах. Поступление глюкозы в клетку осуществляется двумя путями: натрий-зависимый симпорт (преимущественно для энтероцитов и эпителия почечных канальцев) и облегчённая диффузия глюкозы с помощью белков-переносчиков. Работа этих белков-транспортёров контролируется гормонами и, в первую очередь, инсулином. Сильнее всего инсулин стимулирует транспорт глюкозы в мышцах и жировой ткани.

Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.

Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2-х молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода.

Гликолиз — один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд лет назад у первичных прокариотов.

Glycolysis is the central pathway for glucose catabolism in which glucose (6-carbon compound) is converted into pyruvate (3-carbon compound) through a sequence of 10 steps.

Image Source: Lehninger Principles of Biochemistry.

In words, the equation is written as:

Glucose + Adenosine diphosphate + Phosphate  +  Nicotinamide adenine dinucleotide

Pyruvate + Water + Adenosine triphosphate + Nicotinamide adenine dinucleotide + Hydrogen ions

Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД∙H.

Полное уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ.

У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания — окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, — дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.

Окончательная судьба пирувата и НАД∙H, образованных в процессе гликолиза зависит от организма и условий внутри клетки, в особенности от наличия или отсутствия кислорода или других акцепторов электронов.

У анаэробных организмов пируват и НАД∙H далее подвергаются брожению. При молочнокислом брожении, например, у бактерий пируват под действием фермента лактатдегидрогеназы восстанавливается в молочную кислоту. У дрожжей сходным процессом является спиртовое брожение, где конечными продуктами будут этанол и углекислый газ. Известно также маслянокислое и лимоннокислое брожение.

Брожение имеет важное значение в пищевой промышленности.

У аэробов пируват как правило попадает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а НАД∙H в итоге окисляется кислородом на дыхательной цепи в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования.

Несмотря на то, что метаболизм человека преимущественно аэробный, в интенсивно работающих скелетных мышцах наблюдается анаэробное окисление. В условиях ограниченного доступа кислорода пируват превращается в молочную кислоту, как происходит при молочнокислом брожении у многих микроорганизмов:

Боли в мышцах, возникающие через некоторое время после непривычной интенсивной физической нагрузки, связаны с накоплением в них молочной кислоты.

Образование молочной кислоты является тупиковой ветвью метаболизма, но не является конечным продуктом обмена веществ. Под действием лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется снова, образуя пируват, который и участвует в дальнейших превращениях.

Протекает в цитоплазме может быть аэробный и анаэробный.

Анаэробный гликолиз – это окисление глюкозы в отсутствии кислорода до двух молекул лактата и 2-х АТФ.

1) Образование глюкозо-6-фосфат. Реакция необратима, затрачивается 1 молекула АТФ.

3) Фруктозо-6-фосфат при участии АТФ и фермента фосфофруктокиназы фосфорилируется с образованием фруктоза-1,6—дифосфат. Реакция необратима, затрачивается АТФ. Эта реакция определяет скорость гликолиза в целом. Фосфофруктокиназа алостерический фермент его активность угнетается высоким содержанием АТФ и повышается при высоких концентрациях АМФ в клетке.

4) Фруктоза-1,6-фосфат при участии фермента альдолаза распадается на 2 фосфотриозы: диоксиацетонфосфат, глицероальдегидтрифосфат.

На этом заканчивается неокислительная стадия гликолиза и начинается стадия гликолитической оксиредукции, в которую вступают 2 молекулы глицероальдегиттрифосфат.

6) Реакция окислительного фосфорилирования протекает при участии неорганического фосфата. ( H3PO4) НАД и фермента глицероальдегидфосфатдегидрогиназа. В результате образуется 1,3-дифосфоглицерат + 2НАДН2.

7) Субстратное фосфорилирование. 1,3-дифосфоглицерат передает свой остаток фосфата из первого положения на АДФ в результате образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекул 3-фосфоглицерата. Фермент фосфоглицераткиназа.

11) При участии НАДН2, которые образовались в 6-й реакции, восстанавливается в лактат. Фермент лактат дегидрогиназа.

Энергетический выход анаэробного гликолиза:

1-3-й реакции затрачивается 2 молекулы АТФ. 7,10-й реакции образуется 4 молекулы АТФ. И того 4-2=2 молекулы АТФ.

Биологическое значение анаэробного гликолиза.

Заключается в том что клетка получает 2 молекулы АТФ в отсутствии кислорода.

Аэробный гликолиз – это окисление глюкозы в присутствии кислорода с образованием 2 молекул пирувата и 7 молекул АТФ. Аэробный гликолиз состоит из 10 реакций. Энергетический выход аэробного гликолиза:

1-3-й реакции затрачивается 2 молекулы АТФ. 6-й реакции 2 молекулы НАДН2, которые поступают в дыхательную цепь и там дают 2.5 молекулы АТФ*2=5 молекул АТФ.(одна молекула НАДН2 дает 2.5 молекул АТФ, а одна молекула ФАДН2 дает 1.5 молекулы АТФ). 7,10-й реакции образуется 4 молекулы АТФ. Итого 5+4-2=7 молекул АТФ.

Анаэробный гликолиз отличается от аэробного гликолиза:

1) условие проведения

2) количество реакций анаэробный – 11, аэробный – 10.

3) Конечные продукты анаэробный – 2 молекулы лактата, аэробный – 2 молекулы пирувата.

4) Количество энергии анаэробный – 2 молекулы АТФ, аэробный – 7 молекул АТФ.

(от греч. glykys-сладкий и lysis — разложение, растворение, распад), анаэробное (без участия О 2) негидро-литич. расщепление углеводов (гл. обр. глюкозы) в цитоплазме под действием ферментов, сопровождающееся синтезом АТФ и заканчивающееся образованием молочной к-ты (см. рис.). Г. одной молекулы глюкозы м. б. выражен след. ур-нием:

где АДФ-аденозиндифосфат. Субстратами Г. кроме глюкозы м. б. другие моносахариды, а также полисахариды. В мышечной ткани, где основной субстрат Г.-гликоген, процесс начинается с р-ции I и наз. гликогенолизом. У растений субстратом для Г. может служить крахмал. Первые этапы Г., спиртового и нек-рых. др. видов брожения сходны.

Стадии, в к-рых осуществляются необратимые р-ции (II-IV), играют существ. роль в регуляции скорости Г. Наиб. важный регуляторный фермент-фосфофруктокиназа, катализирующая р-цию III; ее активность ингибируется АТФ, НАДН, лимонной и жирными к-тами, стимулируется АДФ и АМФ. Р-ции II и IV катализируются соотв. гексокиназой и пируваткиназой, активность к-рых регулируется адениловыми нуклеотидами, промежуточными продуктами Г. и цикла трикарбоновых к-т. У животных и человека в регуляции Г. принимают участие также гормоны.

Схема гликолиза. В одинарных рамках-субстраты гликолиза, АТФ -аденозинтрифосфат, АДФ-аденозиндифосфат, НАДН и НАД-соотв. восстановленная и окисленная формы никотинамидадениндинуклеотида, Р-остаток фосфорной к-ты, ~ -высокоэргич. связь.

В условиях недостаточности кислорода Г.-единств. процесс, поставляющий энергию для осуществления физиол. ф-ций организма. В аэробных условиях Г.-первая стадия окислит. превращения углеводов: в присут. О 2 пировиноградная к-та может подвергаться дальше окислит. декарбоксилированию, а образующаяся уксусная к-та в виде СН 3 С(О)КоА (КоА-остаток кофермента А) полностью окисляться до СО 2 и воды в цикле трикарбоновых к-т.

Интенсивный Г. происходит в скелетных мышцах, где он поставляет энергию для мышечных сокращений, а также в печени, сердце, мозге животных и человека. В клетках осуществляется тонкая регуляция окислит. и анаэробного обмена. Подавление Г. дыханием в присут. О 2 (эффект П а с т е р а) обеспечивает клетке Наиб. экономный механизм образования богатых энергией соединений. В тканях, где такой эффект отсутствует (напр., в эмбриональных и опухолевых), Г. протекает очень активно. В нек-рых тканях с интенсивным Г. наблюдается подавление тканевого дыхания (эффект Крабтри).

Г.-простейшая форма биол. механизма аккумулирования энергии углеводов в АТФ. Считают, что он возник в период, когда в атмосфере Земли не было О 2. При энергетически более выгодном аэробном окислении из одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Лит.: Мецлер Д., Биохимия, пер. с англ., т. 2, М., 1980, с. 335-38; Основы биохимии, пер. с англ., т. 2, М., 1981, с. 557-82; Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 2, М., 1985, с. 23-48, 115-38. Н. В. Гуляева.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
.
.

Таблица конечных терминоэлементов

* В составе терминов-названий красных и белых клеток

крови ТЭ cyt — может пропускаться, если эти названия образуют сложные термины с конечными ТЭ — poёsis (творение, образова-

ние), — lysis (распад), — penia (недостаточное количество). Напри- мер: erythropenia, ae f – недостаточное количество эритроцитов

1. Суффиксы, определите значение терминов:

dermatitis, laparoscopia, phlebitis, spondylosis, micrognatia, hyperaesthesia, erythrolysis, hypotonia, dysphagia, pyodermia, hypertrophia, glycaemia, olygodentia, macrocheilia, dermatosis, hy- perplasia, splenectomia, neurochirurgus, microgenia, tachiphagia, melanodermia, myocardiodystrophia, hepatosplenomegalia, asthenia, microsphigmia, leucocytus, haematomyelia, bradycardia

2. Образуйте термины с заданным значением:

1. Малые размеры полости рта

2. Недостаточное выделение мочи

3. Вызывающий нагноение

4. Перегревание организма

5. Пониженная чувствительность

6. Повышенное содержание сахара в крови

7. Наличие крови в моче

8. Процесс образования мочи

9. Распад белых клеток крови

10. Инструментальный осмотр селезенки

11. Рассечение полости живота

12. Наличие ядовитых веществ в крови

13. Нарушение развития формы органа в ходе эмбриогене- за

14. Увеличенные размеры верхней челюсти

15. Увеличение селезенки

16. Наука, изучающая строение и жизнедеятельность мик- роорганизмов

18. Быстрое заглатывание пищи

19. Боль в мышцах

20. Отсутствие давления в сосудах

3. Допишите недостающий терминоэлемент:

1. Переохлаждение – hypo

2. Отсутствие  органа  или  ткани  в  ходе  эмбриогенеза  –

3. Недостаточное  количество  тромбоцитов  в  крови  –

4. Измененная (иная) реактивность организма – all

5. Пониженное артериальное давление – hypo

6. Врач-специалист по обезболиванию –                 logus

7. Отсутствие тонуса (мышцы) – a

8. Наличие гноя в моче –                 uria

9. Повышенное  количество  лейкоцитов  в  крови  –

10. Сухость кожи – xer

11.  Диагностика  с  помощью  температуры  –

12.  Переполнение  кровью  ткани  или  органа  –

13. Расстройство вкусовых ощущений –                 geusia

14. Наличие сахара в моче – glyc

15. Увеличенные размеры губ – cheil

16. Белокровие –                 aemia

17. Наука, изучающая заболевания сердца –               logia

18. Малые размеры селезенки – micr

19. Наличие в моче меланина_–               uria

20. Повышенное содержание лейкоцитов –               osis

4. Запишите в латинской словарной форме и объясните значение терминов:

тромбоз, лейкодерма, гипоэстезия, гипотермия, атро- фия, гипертензия, дерматоз, мегалоцит, эритропения, ацидоз, гипертония, дисфагия, пиогенный, уремия, хейлоз, гликолиз, патогенез, брадикинезия, гипергия, тахипноэ, микроцит, лейкодерма, глоссодиния, олигодентия, мегадуоденум, эри- тропоэз, авитаминоз, гипоплазия, гипертензия.

Sermo, sicut vultus, imago animi est

Periculum  est  in mora

Naturalia non sunt turpia

Cum grano salis

Речь, как и лицо – образ души опасность в промедлении

Служа (светя) другим, сгораю сам (надпись под горящей свечой – одна из эмблем врачевания)

Что естественно, то не безобразно

«с крупинкой соли», т.е. остро- умием

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецифичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы — глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф):

Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg2+, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза.

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы.

Печёночный изофермент гексокиназы — глюкокиназа — имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.

В следующей реакции

ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф):

Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза.

Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата

и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы

.

Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.

Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата:

В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй

, который и участвует в дальнейших превращениях:

Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата

:

Далее с 1,3-дифосфоглицерата, содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (реакция 7) — образуется молекула АТФ:

Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3. Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.

Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфоглицерат

:

Енолаза образует фосфоенолпируват

:

И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ

:

Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.

С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают только реакции 7 и 10, в которых и происходит к субстратное фосфорилирование АДФ.

4.1.1. Гликолиз- процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого яв­ляется пировиноградная кислота. Гликолиз — общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах.

А. Гарден и Л. А. Иванов в 1905 г. независимо показали, что в процессе спиртового брожения наблюдается связывание неорганического фосфата и превращение его в органическую форму. Гарден установил, что глюкоза подвергается анаэробному распаду только после ее фосфорилирования.

4.1.2. Этапы гликолиза: ****

I. Подготовительный этап — фосфорилирование гексозы и ее расщепление на две фосфотриозы.

II. Первое субстратное фосфорилирование, которое начинается с 3-фосфо-глицеринового альдегида и кончается 3-фосфоглицериновой кислотой. В этом процессе на каждую фосфотриозу синтезируется одна молекула АТФ.

III. Второе субстратное фосфорилирование, при котором 3-фосфо-глицериновая кислота за счет внутримолекулярного окисления отдает фосфат с образованием АТФ.

На активацию глюкозы необходима затрата энергии, что осуществляется в процессе образования фосфорных эфиров глюкозы в ряде подготовительных реакций. Глюкоза (в пиранозной форме) фосфорилируется АТР с участием гексокиназы, превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы в фруктозо-6-фосфат (фуранозная форма), являющуюся более лабильной формой молекулы гексозы.

Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется вторично фосфофруктокиназой с использованием еще одной молекулы АТР. Образующийся фруктозо-1,6-дифосфат — лабильная фуранозная форма с симметрично расположенными фосфатными группами. Обе эти группы несут отрицательный заряд отталкиваясь друг от друга электростатически. Такая структура легко расщепляется альдолазой на две фосфотриозы − на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА).

3-ФГА и ФДА легко превра­щаются друг в друга с участием триозофосфатизомеразы. Из-за расщепления молекулы гексозы на две триозы гликолиз иногда называют дихотомическим путем окисления глюкозы.

С 3-ФГА начинается II этап гликолиза — первое субстрат­ное фосфорилирование. Фермент дегидрогеназа фосфоглицеринового альдегида (NAD-зависимый SH-фермент) образует с 3-ФГА фермент-субстратный комплекс, в котором происхо­дит окисление субстрата, передача электронов и протонов на NAD + и образование высокоэнергетической связи (т. е. связь с очень высокой свободной энергией гидролиза). Далее осуществляется фосфоролиз этой связи: SH-фермент отщепляется от субстрата, а к остатку карбоксильной группы субстрата присоединяется неорганиче­ский фосфат. Высокоэнергетическая фосфатная группа с помощью фосфоглицераткиназы передается на AДФ и образуется АТФ. Так как в данном случае высокоэнергетическая ковалентная связь фосфата формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс получил название субстратного фосфорилирования. Таким образом, в. результате II этапа глико­лиза образуются АТР и восстановленный NADH:

Последний этап гликолиза — второе субстратное фосфорилирование. 3-Фосфоглицериновая кислота с помощью фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Далее фермент енолаза катализирует отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты в молекуле, в результате чего образуется фосфоенолпируват − соединение, содержащее высокоэнергетическую фосфатную связь Фосфат фосфоенолпируватв при участии пируваткиназы передается на AДФ и образуется АТР, а енолпируват самопроизвольно переходит в более стабильную форму — пируват − конечный продукт гликолиза.

4.1.3. Энергетический выход гликолиза. При окислении одной мо­лекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. При этом за счет первого и второго субстратного фосфорилирования образуются четыре молекулы АТФ. Однако две молекулы АТФ тратятся на фосфорилирование гексозы на I этапе гликолиза. Таким образом, чистый выход гликолитического субстратного фосфорилирования составляет две молекулы АТФ.

Кроме того, на II этапе гликолиза на каждую из двух молекул фосфотриоз восстанавливается по одной молекуле НАДH. Окисление одной молекулы НАДH в электронтранспортной цепи митохондрий в присутствии О2 сопряжено с синтезом трех молекул АТФ, а в расчете на две триозы (т. е. на одну молекулу глюкозы) — шесть молекул АТФ. Таким образом, всего в процессе гликолиза (при условии последующего окисления НАДH) образуются восемь молекул АТФ. Поскольку свободная энергия гидролиза одной молекулы АТФ во внутриклеточных условиях составляет около 41,868 кДж/моль (10 ккал), восемь молекул АТР дают 335 кДж/моль, или 80 ккал. Таков полный энергетический выход гликолиза в аэроб­ных условиях.

Суммарное уравнение гликолиза:

С6Н12О6 + 2 АТФ + 2 НАД+ + 2Фн + 4АДФ 2 ПВК + 4АТФ + 2НАДН

4.1.4. Значение гликолиза:

1) осуществляет связь между дыха­тельными субстратами и циклом Кребса;

2) поставляет на нужды клетки две молекулы АТФи две молекулы НАДH при окислении каждой молекулы глюкозы (в условиях аноксии гликолиз, по-видимому, служит основным источником АТФ в клетке);

3) производит интермедиаты для синтетических процессов в клетке (например, фосфоенолпиру­ват, необходимый для образования фенольных соединений и лигнина);

4) в хлоропластах обеспе­чивает прямой путь для синтеза АТФ, независимый от поста­вок НАДФH; кроме того, через гликолиз в хлоропластах запасенный крахмал метаболизируется в триозы, которые затем экспортируются из хлоропласта.

Различают местную и общую регуляцию.

Местная регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов под действием различных метаболитов внутри клетки.

Регуляция гликолиза в целом, сразу для всего организма, происходит под действием гормонов, которые, влияя через молекулы вторичных посредников, изменяют внутриклеточный метаболизм.

Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину. Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными ингибиторами гликолиза.

Инсулин стимулирует гликолиз через:

Также на гликолиз влияют и другие гормоны. Например, соматотропин ингибирует ферменты гликолиза, а тиреоидные гормоны являются стимуляторами.

Регуляция гликолиза осуществляется через несколько ключевых этапов. Реакции, катализируемые гексокиназой

, фосфофруктокиназой

и пируваткиназой

отличаются существенным уменьшением свободной энергии и являются практически необратимыми, что позволяет им быть эффективными точками регуляции гликолиза.

Гексокиназа ингибируется продуктом реакции — глюкозо-6-фосфатом, который аллостерически связывается с ферментом, изменяя его активность.

По причине того, что основная масса Г-6-Ф в клетке производится путём расщепления гликогена, гексокиназная реакция, по сути, для протекания гликолиза не является необходимой, и фосфорилирования глюкозы в регуляции гликолиза исключительной важности не имеет. Гексокиназная реакция является важным этапом регуляции концентрации глюкозы в крови и в клетке.

При фосфорилировании глюкоза теряет способность транспортироваться через мембрану молекулами-переносчиками, что создаёт условия для накопления её в клетке. Ингибирование гексокиназы Г-6-Ф ограничивает поступление глюкозы в клетку, предотвращая её чрезмерное накопление.

Глюкокиназа (IV изотип гексокиназы) печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом, и клетки печени продолжают накапливать глюкозу даже при высоком содержании Г-6-Ф, из которого в дальнейшем синтезируется гликоген. По сравнению с другими изотипами глюкокиназа отличается высоким значением константы Михаэлиса, то есть на полную мощность фермент работает только в условиях высокой концентрации глюкозы, которая бывает почти всегда после приёма пищи.

Глюкозо-6-фосфат может превращаться обратно в глюкозу при действии глюкозо-6-фосфатазы. Ферменты глюкокиназа и глюкозо-6-фосфатаза участвуют в поддержании нормальной концентрации глюкозы в крови.

Интенсивность протекания фосфофруктокиназной реакции решающим образом сказывается на всей пропускной способности гликолиза, а стимуляция фосфофруктокиназы считается наиболее важным этапом регуляции.

Фосфофруктокиназа (ФФК) — это тетрамерный фермент, существующий поочерёдно в двух конформационных состояниях (R и T), которые находятся в равновесии и попеременно переходят из одного в другое. А ТФ является одновременно и субстратом, и аллостерическим ингибитором ФФК.

В каждой из субъединиц ФФК имеется по два центра связывания АТФ: субстратный сайт и сайт ингибирования. Субстратный сайт одинаково способен присоединять АТФ при любой конформации тетрамера. В то время как сайт ингибирования связывает АТФ исключительно, когда фермент находится в конформационном состоянии T. Другим субстратом ФФК является фруктозо-6-фосфат, который присоединяется к ферменту предпочтительно в R-состоянии. При высокой концентрации АТФ сайт ингибирования занимается, переходы между конформациями фермента становятся невозможными, и большинство молекул фермента оказываются стабилизированными в T-состоянии, неспособном присоединить Ф-6-Ф. Однако ингибирование фосфофруктокиназы АТФ подавляется АМФ, который присоединяется к R-конформациям фермента, стабилизируя таким образом состояние фермента для связывания Ф-6-Ф.

Наиболее важным же аллостерическим регулятором гликолиза и глюконеогенеза является фруктозо-2,6-бифосфат, который не является промежуточным звеном этих циклов. Фруктозо-2,6-бифосфат аллостерически активирует фосфофруктокиназу.

Синтез фруктозо-2,6-бифосфата катализируется особым бифункциональным ферментом — фосфофруктокиназой-2/фруктозо-2,6-бифосфатазой (ФФК-2/Ф-2,6-БФаза). В нефосфорилированной форме белок известен как фосфофруктокиназа-2 и имеет каталитическую активность по отношению к фруктозо-6-фосфату, синтезируя фруктозо-2-6-бифосфат. В результате чего значительно стимулируется активность ФФК и сильно ингибируется активность фруктозо-1,6-бифосфатазы. То есть при условии активности ФФК-2 равновесие этой реакции между гликолизом и глюконеогенезом смещается в сторону первого — синтезируется фруктозо-1,6-бифосфат.

В фосфорилированном виде бифункциональный фермент не обладает киназной активностью, а наоборот в его молекуле активируется сайт, который гидролизует Ф2,6БФ на Ф6Ф и неорганический фосфат. Метаболический эффект фосфорилирования бифункционального фермента состоит в том, что аллостерическая стимуляция ФФК прекращается, аллостерическое ингибирование Ф-1,6-БФазы ликвидируется и равновесие смещается в сторону глюконеогенеза. Продуцируется Ф6Ф и затем — глюкоза.

Взаимопревращения бифункционального фермента осуществляются цАМФ-зависимой протеинкиназой (ПК), которая в свою очередь регулируется циркулирующими в крови пептидными гормонами.

Когда в крови снижается концентрация глюкозы, тормозится также и образование инсулина, а выделение глюкагона напротив стимулируется, и его концентрация в крови резко повышается. Глюкагон (и другие контринсулярные гормоны) связываются с рецепторами плазматической мембраны клеток печени, вызывая активацию мембранной аденилатциклазы. Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в циклический АМФ. ц АМФ связывается с регуляторной субъединицей протеинкиназы, вызывая высвобождение и активизацию её каталитических субъединиц, которые фосфорилирует ряд ферментов, включая и бифункциональную ФФК-2/Ф-2,6-БФазу. При этом в печени прекращается потребление глюкозы и активизируются глюконеогенез и гликогенолиз, восстанавливая нормогликемию.

Следующим шагом, где осуществляется регуляция гликолиза, является последняя реакция — этап действия пируваткиназы. Для пируваткиназы также описан ряд изоферментов, имеющих особенности регуляции.

Печёночная пируваткиназа (L-тип) регулируется при фосфорилировании, аллстерическими эффекторами и путём регуляции экспрессии генов. Фермент ингибируется АТФ и ацетил-КоА и активируется фруктозо-1,6-бифосфатом. Ингибирование пируваткиназы АТФ происходит подобно действию АТФ на ФФК. Связывание АТФ с сайтом ингибирования фермента уменьшает его сродство к фосфоенолпирувату. Печёночная пируваткиназа фосфорилируется и ингибируется протеинкиназой, и таким образом также находится под гормональным контролем. Кроме того, активность печёночной пируваткиназы регулируется и количественно, то есть изменением уровня его синтеза. Это медленная, долговременная регуляция. Увеличение в рационе углеводов стимулирует экспрессию генов, кодирующих пируваткиназу, в результате уровень фермента в клетке повышается.

М-тип пируваткиназы, найденный в головном мозге, мышцах и других глюкозо-потребных тканях не регулируется протеинкиназой. Это принципиально в том, что метаболизм этих тканей определяется только внутренними потребностями и не зависит от уровня глюкозы в крови.

Мышечная пируваткиназа не подвержена внешним влияниям, таким как понижение уровня глюкозы в крови или выброс гормонов. Внеклеточные условия, которые приводят к фосфорилированию и ингибированию печёночного изофермента, не изменяют активность пируваткиназы М-типа. То есть интенсивность гликолиза в поперечнополосатой мускулатуре определяется только условиями внутри клетки и не зависит от общей регуляции.

Часто задаваемые вопросы о гликолизе

Что такое анаэробный гликолиз? Анаэробный гликолиз — это процесс, который происходит при отсутствии достаточного количества кислорода, приводящий к восстановлению пирувата в лактат и повторному окислению НАДН в НАД+.

Где происходит гликолиз? Гликолиз происходит во внемитохондриальной фракции клетки в цитозоле.

Каковы продукты гликолиза? Продуктами гликолиза являются два моля пирувата, четыре моля АТФ (чистый прирост 2 АТФ) и один моль НАДН.

Сколько НАДН образуется при гликолизе? Два моля НАДН образуются при гликолизе.

Сколько АТФ образуется при гликолизе? Всего при гликолизе образуется четыре моля АТФ. Чистый прирост АТФ при гликолизе составляет всего 2 АТФ, поскольку на подготовительной фазе гликолиза используются два АТФ.

Каковы функции гликолиза? Основная функция гликолиза – производство энергии в форме АТФ. Аналогично, гликолиз также производит пируват, который затем дополнительно окисляется с образованием большего количества АТФ.

Ферменты гликолиза

Рисунок: Гликолиз 10 шагов. Источник изображения: Quizlet Inc.

Шаг 1. Фосфорилирование глюкозы

Шаг 2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата

Шаг 3. Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата

Шаг 4. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата

Шаг 5. Изомеризация дигидроксиацетонфосфата

Шаг 6. Окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата

Шаг 7- Перенос фосфата из 1,3-дифосфоглицерата в АДФ

Шаг 8 – Изомеризация 3-фосфоглицерата

Шаг 9 – Дегидратация 2-фосфоглицерата

Шаг 10. Перенос фосфата из фосфоенолпирувата

Значение пути гликолиза

Рисунок: Три возможных катаболических пути пирувата, образующегося при гликолизе. Пируват также служит предшественником многих анаболических реакций, которые здесь не показаны. Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

Окисление пирувата

Дефицит любого из гликолитических ферментов приводит к гемолитической анемии, поскольку эритроциты зависят от гликолиза для производства энергии и будут лизировать, если их энергетические потребности не будут удовлетворены в результате неправильного гликолиза.