Гликолиз

Общая схема гликолиза

Гликолиз или путь Эмбдена-Меергофа-Парнаса (от дав.-гр. γλυκός , Glykos - содоку и λύσης , Lysis - расщепление) - последовательность из десяти реакций, которые приводят к превращению глюкозы, C 6 H 12 O 6, в пируват, C 3 H 3 O - 3 с образованием АТФ ( аденозинтрифосфат) и НАДН (восстановлен никотинамид). В аэробных организмов гликолиз идет перед циклом трикарбоновых кислот и цепью переноса электронов, которые вместе добывают большую часть энергии, содержащейся в глюкозе. При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО 2 и Н 2 О. При недостаточном содержании кислорода, как это бывает в мышцах, активно сокращаются, пируват превращается в лактат. В некоторых анаэробных организмах, например, дрожжей, пируват превращается не в лактат, а в этанол. Образования этанола и лактата из глюкозы - это примеры брожения.


1. История исследования

Гликолиз первый из открытых и наиболее исследованный метаболический путь [1] [2]. 1897 году братья Ханс и Эдуард Бюхнер занимались изготовлением бесклеточных экстрактов дрожжей для терапевтического применения. Очевидно, они не могли использовать ядовитые для человека антисептики, как фенол, поэтому попытались распространен в кулинарии консервант - сахарозу. Выяснилось, что в дрожжевых экстрактах это вещество быстро зброджувалась к этилового спирта. Так было впервые установлено, что брожение может происходить вне живых клеток [3]. В 1907 году Эдуард Бюхнер была присуждена Нобелевская премия по химии [4].

Со времени открытия внеклеточного брожения до 1940-х годов исследования реакций гликолиза было одной из основных задач биохимии. Описанием этого метаболического пути в клетках дрожжей занимались Отто Варбург, Ганс фон Эйлер-Хельпин и Артур Гарден (два последних получили Нобелевскую премию по химии 1929 [5]), в мышцах - Густав Эмбдена и Отто Меергоф [2] ( Нобелевская премия по медицине и физиологии 1922 [6]). Также свой вклад в исследование гликолиза сделали Карл Нойберг, Яков Парнас, Герти и Карл Кори [3].

Важными "побочными" открытиями, сделанными благодаря изучению гликолиза, была разработка многих методов очистки ферментов, выяснения центральной роли АТФ и других фосфорилированных соединений в метаболизме, открытие коэнзимов, таких как НАД [2].


2. Распространение и значение

Гликолиз является почти универсальным для всех клеточных организмов путем катаболизма глюкозы. Вероятно, он возник на ранних этапах развития жизни на Земле, еще до того, как в атмосфере накопился кислород в результате деятельности фотосинтезирующих организмов [2] [7]. Последовательность гликолитических реакций - чрезвычайно эволюционно консервативный путь. Ферменты, которые принимают в нем участие, проявляют высокую степень гомологии как в аминокислотной последовательности, так и трехмерной структуре в позвоночных животных, дрожжей и растений. Как показало секвенирования ДНК геномов большого количества организмов, только в архей и паразитических бактерий отсутствуют один или несколько ферментов гликолиза, несмотря на то, что сам путь сохраняется, вероятно, в модифицированном виде [2].

В эукариотических клетках реакции гликолиза происходят в цитозоле. В большинстве таких клеток именно этот среди других метаболических путей занимает первое место по числу атомов Карбона, превращающиеся в нем [2]. Для таких тканей млекопитающих, как мозг (за исключением условий голодания [8]), мозговой слой почек, сперматозоиды, а также эритроциты, в которых полностью отсутствуют митохонондрии, гликолиз является единственным источником метаболической энергии. Для мышц в условиях очень большой нагрузки гликолиз выгоден не только потому, что дает возможность получить энергию при недостатке кислорода, а еще и потому, что он происходит очень быстро и обеспечивает синтез АТФ в 10,5 раз быстрее, чем аэробная окисления органических веществ [9]. Также от гликолиза главным образом зависят растительные ткани, специализированные на хранении крахмала (например клубни картофеля), и водные растения, такие как настурция лекарственная [2].

Другими путями окисления глюкозы является пентозофосфатный путь и путь Ентнера-Дудорова. Последний является заменой гликолиза в некоторых грамотрицательных и, очень редко, грамположительных бактерий и имеет много общих черт с ним ферментов [10].


3. Реакции гликолиза

Обобщенная схема двух стадий гликолиза

Традиционно гликолиз разделяют на две стадии: подготовительную, предусматривающий вклад энергии (пять первых реакций), и стадию отдачи энергии (пять последних реакций) [11] [1] [12] [2]. Иногда четвертую и пятую реакции выделяют в отдельную промежуточную стадию [8] [13].

На первой стадии происходит фосфорилирование глюкозы в шестом положении, изомеризация полученного глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата, и повторное фосфорилирования уже в первом положении, в результате чего образуется фруктозо-1 ,6-бисфосфат. Фосфатные группы на моносахариды переносятся из АТФ. Это необходимо для активации молекул - увеличение содержания в них свободной энергии [14]. Далее фруктозо-1 ,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз, которые могут свободно превращаться друг в друга.

На второй стадии (отдачи энергии) фосфотриоза (глицеральдегид-3-фосфат) окисляется и фосфорилируется неорганическим фосфатом. Полученный продукт в серии екзергоничних реакций сопряженных с синтезом четырех молекул АТФ превращается в пирувата. Таким образом, при гликолиза происходит три принципиальных преобразования:


3.1. Первая стадия

3.1.1. Фосфорилирования глюкозы

Первая реакция гликолиза - фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата, катализируемой ферментом гексокиназой. Донором фосфатной группы является молекула АТФ. Реакция происходит только в присутствии ионов Mg 2 +, так как настоящим субстратом для гексокиназы является не АТФ 4 -, а комплекс MgАТФ 2 -. Магний экранирует отрицательный заряд фосфатной группы, таким образом облегчая осуществление нуклеофильной атаки на последний атом фосфора гидроксильной группой глюкозы [15].

Glycolysis1.svg

ΔG 0 = -16,7 кДж / моль

Вследствие фосфорилирования происходит не только активация молекулы глюкозы, но и ее "заключения" внутри клетки : плазматическая мембрана имеет белки-переносчики для глюкозы, но не для ее фосфорилированной формы. Поэтому большая заряженная молекула глюкозо-6-фосфата не может проникнуть через мембрану несмотря на то, что его концентрация в цитоплазме больше, чем во внеклеточной жидкости [15] [16] [8].

Фермент гексокиназа присутствует почти у всех организмов, основным его субстратом является глюкоза. Однако он может катализировать фосфорилирование других гексоз: D-фруктозы, D-маннозы т.д.. У человека есть четыре изоформы гексокиназы (от I до IV). Один из изоферментов - гексокиназа IV или глюкокиназы - отличается от других форм особенностями кинетики и регулирования его активности [15].


3.1.2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата

Во второй реакции гликолиза происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата под действием фермента глюкозофосфатизомеразы (гексозофосфатизомеразы). Сначала происходит открытие шестичленного пиранозного кольца глюкозо-6-фосфата, т.е. переход этого вещества в линейную форму, после чего карбонильная группа из первого положения переносится во второй через промежуточную ендиольну форму [15]. Есть альдозы превращается в кетоза. Образована линейная молекула фруктозо-6-фосфата замыкается в пятичленные фуранозне кольцо [17].

Phosphohexose isomerase mechanism.svg

ΔG 0 = 1,7 кДж / моль

Через незначительное изменение свободной энергии реакция является обратимой. Изомеризация глюкозо-6-фосфата - это необходимое условие для дальнейшего прохождения гликолиза, поскольку следующая реакция - еще одно фосфорилирования, требует наличия гидроксильной группы в первом положении [15].


3.1.3. Фосфорилирования фруктозо-6-фосфата

После стадии изомеризации идет вторая реакция фосфорилирования, в которой фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1 ,6-бисфосфат за счет присоединения фосфатной группы АТФ. Реакцию катализирует фермент фосфофруктокиназы-1 (сокращенно ФФК-1, существует также фермент ФФК-2, катализирует образование фруктозо-2 ,6-бисфосфат в другом метаболическом пути) [18].

Glycolysis3.svg

ΔG 0 = -14,2 кДж / моль

В условиях цитоплазмы клетки эта реакция является необратимой. Она первой достоверно определяет расщепление веществ по гилколитичному пути, поскольку глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут вступать в другие метаболические превращения, а фруктозо-1 ,6-бисфосфат используется только в гликолизе. Именно образование фруктозо-1 ,6-бисфосфат является лимитирующим стадией гликолиза [18].

У растений, некоторых бактерий и простейших также форма фосфофруктокиназы, использующий в качестве донора фосфатной группы пирофосфат, а не АТФ. ФФК-1 как алостеричний фермент подлежит сложным механизмам регулирования. К положительным модуляторов относятся продукты расщепления АТФ - АДФ и АМФ, рибулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), у некоторых организмов фруктозо-2 ,6-бисфосфат. Негативным модулятором является АТФ [18].


3.1.4. Расщепление фруктозо-1 ,6-бисфосфат на две фосфотриозы

Фруктозо-1 ,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат под влиянием фруктозо-1 ,6-фосфатальдолазы (чаще просто альдолаза). Название фермента альдолазы происходит от обратной реакции альдольной конденсации [19]. Механизм прохождения реакции показан на схеме:

Glycolysis4.svg

ΔG 0 = 23,8 кДж / моль

Хотя стандартная смена свободной энергии в ходе расщепления фруктозо-1 ,6-бисфосфат является положительной и имеет большое абсолютное значение, в реальных условиях клетки через низкую концентрацию фосфотриоз реакция легко проходит в обе стороны [20].

Описанный механизм реакции характерен только для альдолазы класса I, распространенной в клетках растений и животных. В клетках бактерий и грибов присутствует альдолаза класса II, которая катализирует реакцию другим путем [20].

Механизм реакции альдольной расщепление еще раз демонстрирует важность изомеризации во второй реакции гликолиза. При таком преобразованию подлежала альдозы (глюкоза), то образовалась бы одна двокарбонова и одна чотирикарбонова соединение, каждая из которых должна метаболизироваться собственным шялхом. Зато трикарбонови соединения образованы в результате расщепления кетозы (фруктозы) могут легко превращаться друг в друга [21].


3.1.5. Изомеризация фосфотриоз

В последующих реакциях гликолиза участвует только одна из фосфотриоз образованных из фруктозо-1 ,6-бисфосфат, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако другой продукт - дигидроксиацетонфосфат - быстро и обратно может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат (катализирует эту реакция триозофосфатизомеразы) [20].

Glycolysis5.svg

ΔG 0 = 7,5 кДж / моль

Механизм реакции похож на Изомеризацию глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. Равновесие реакции смещено в сторону образования дигидроксиацетонфосфату (96%), однако из-за постоянного использования глицеральдегид-3-фосфата все время происходит обратное преобразование [21].

После преобразования двух "половинок" глюкозы в глицеральдегид-3-фосфат атомы Карбона, происходящих от ее C-1, C-2 и C-3, становятся химически неотличимы от C-6, C-5 и C-4 соответственно. Эта реакция завершает подготовительную стадию гликолиза [22].


3.2. Вторая стадия

3.2.1. Окисления глицеральдегид-3-фосфата

Изменение свободной энергии при окисления глицеральдегид-3-фосфата и фосфорлиювання образованного 3-фосфоглицерату, если они происходят последовательно (сверху) и если они сопряжены благодаря ковалентной связыванию промежуточного продукта с ферментом (снизу).

Первой реакцией стадии отдачи энергии гликолиза является окисление глицеральдегид-3-фосфата с одновременным его фосфорилированием, что осуществляется ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Альдегид превращается не в свободную кислоту, а в смешанный ангидрид с фосфатной кислотой (1,3-бисфосфоглицерат). Соединения такого типа - ацилфосфаты - имеют очень большую отрицательную смену свободной энергии гидролиза (ΔG 0 = -49,3 кДж / моль) [23].

Реакцию превращения глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-бисфосфоглицерату можно рассматривать как два отдельных процесса: окисление альдегидной группы НАД + и присоединения фосфатной группы к образованной карбоновой кислоты. Первая реакция термодинамически выгодна (ΔG 0 = -50 кДж / моль), вторая наоборот невыгодна. Изменение свободной энергии для второй реакции почти такая же, только положительная. Если бы они происходили последовательно одна за другой, то вторая реакция требовала бы слишком большой энергии активации, чтобы протекать в условиях живой клетки с удовлетворительной скоростью. Но оба процессы сопряженными благодаря тому, что промежуточное соединение - 3-фосфоглицерат - ковалентно связана с остатком цистеина тиоестерним связью в активном центре фермента. Такой тип связи позволяет "законсервировать" часть энергии, выделяемой при окисления глицеральдегид-3-фосфата, и использовать ее для реакции с ортофосфатною кислотой [24].

Glycolysis6.svg

ΔG 0 = 6,3 кДж / моль

Для прохождения этой стадии гликолиза необходимый кофермент НАД +. Его концентрация в клетке (менее 10 -5 М) значительно меньше, чем количество глюкозы, метаболизируется минуту. Поэтому в клетке постоянно происходит повторное окисления НАД + [23].


3.2.2. Перенос фосфатной группы 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ

В следующей реакции большой запас энергии ацилфосфату используется для синтеза АТФ. Фермент фосфоглицераткиназа (название от обратной реакции) катализирует перенос фосфатной группы с 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ, кроме АТФ продуктом реакции является 3-фосфоглицерат [25].

Glycolysis7.svg

ΔG 0 = -18,6 кДж / моль

Такой тип синтеза АТФ, при котором используется растворимый состав с высоким потенциалом переноса фосфатной группы, называется сусбстратним фосфорилированием, в противоположность окислительному фосфорилированию, что имеет место при аэробной окисления во внутренней мембране митохондрий [26] [25].

Шестая и седьмая реакции гликолиза сопряжены между собой и 1,3-бисфосфоглицерат является общим промежуточным продуктом. Первая из них сама по себе была бы ендергоничною, однако затраты энергии компенсируются второй - выражено екзергоничною [25]. Суммарное уравнение этих двух процессов можно записать так:

Глицеральдегид-3-фосфат + АДФ + Ф н + НАД + → 3-фосфоглицерат + АТФ + НАДH (H +), ΔG 0 = -12,2 кДж / моль;

Следует заметить, что для одной молекулы глюкозы эта реакция происходит дважды, поскольку из одной молекулы глюкозы были образованы две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Итак, на этом этапе синтезируются две молекулы АТФ, что покрывает энергетические затраты первой стадии гликолиза.


3.2.3. Изомеризация 3-фосфоглицерату

В восьмой реакции гликолиза фермент фосфоглицератмутаза в присутствии ионов Магния катализирует перенос фосфатной группы 3-фосфоглицерату с третьего положения в другое, в результате чего образуется 2-фосфоглицерат. Реакция происходит в два этапа: на первом из них фосфатная группа, изначально присоединена к остатку гистидина в активном центре фермента, переносится на C-2 3-фосфоглицерату, в результате чего образуется 2,3-бисфосфоглицерат. После этого фосфатная группа в третьем положении синтезированной соединения переносится на гистидин. Таким образом регенерируются фосфорилированный фермент и производится 2-фосфоглицерат [25] [27].

Glycolysis8.svg

ΔG 0 = 4,4 кДж / моль

Исходное фосфорилирования фосфоглицератмутазы осуществляется реакцией с 2,3-бисфосфоглицерату, незначительной концентрации которого достаточно для активации фермента [25].


3.2.4. Дегидратация 2-фосфоглицерату

Следующая реакция - образование Энола с результате дегидратации (отщепление воды) 2-фосфоглицерату - ведет к образованию фосфоенолпирувату (сокращенно ФЭП) и катализируется ферментом энолаза.

Glycolysis9.svg

ΔG 0 = 7,5 кДж / моль

Это вторая реакция образования вещества с высоким потенциалом переноса фосфатной группы в процессе гликолиза. Изменение свободной энергии при гидролизе фосфатного эфира обычного спирта значительно ниже по сравнению с таким изменением при гидролизе енолфосфату, в частности для 2-фосфоглицерату ΔG 0 = -17,6 кДж / моль, а для фосфоенолпирувату ΔG 0 = -61,9 кДж / моль [28].


3.2.5. Перенос фосфатной группы с ФЭП на АДФ

Последняя реакция гликолиза - перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувату на АДФ - катализируется пируваткиназы в присутствии ионов K + и Mg 2 + или Mn 2 +. Продуктом этой реакции является пируват, который сначала образуется в енольной форме, после чего быстро и неферментативно таутомеризуеться в кетонной форму [28].

Glycolysis 10.svg

Реакция имеет большую отрицательную смену свободной энергии, главным образом благодаря екзергоничому процесса таутомеризации [29]. Около половины энергии (30,5 кДж / моль), выделяющегося при гидролизе ФЭП (61,9 кДж / моль), используется на субстратное фосфорилирование, остальные (31,5 кДж / моль) служит как движущая сила, толкающая реакцию в сторону образования пирувата и АТФ. Реакция является необратимой за клеточных условий [28].


4. Суммарный выход гликолиза

Изменение свободной энергии в реакциях гликолиза в эритроцитах [30]
Реакция ΔG 0
(КДж / моль)
ΔG
(КДж / моль)
Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ -16,7 -33,4
Глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат 1,7 от 0 до 25
Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1 ,6-бисфосфат + АДФ -14,2 -22,2
Фруктозо-1 ,6-бисфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат + дигидроксиацетонфосфат 28,3 от -6 до 0
Дигидроксиацетонфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат 7,5 от 0 до 4
Глицеральдегид-3-фосфат + Ф н + НАД + ↔ 1,3-бисфосфоглицерат + НАДH + H + 6,3 от -2 до 2
1,3-бисфосфоглицерат + АДФ ↔ 3-фосфоглицерат + АТФ -18,8 от 0 до 2
3-фосфоглицерат ↔ 2-фосфоглицерат 4,4 от 0 до 0,8
2-фосфоглицерат ↔ фосфоенолпируват + H 2 O 7,5 от 0 до 3,3
Фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ -31,4 -16,7
Желтым выделены реакции необратимые в реальных условиях клетки

Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:

Глюкоза + 2 Ф н + 2 АДФ + 2 НАД + → 2 пируват + 2 АТФ + 2 НАД Н + 2 Н + + 2 Н 2 О.

Суммарное количество энергии, выделяемой в процессе расщепления глюкозы до пирувата составляет 146 кДж / моль, на синтез двух молекул АТФ расходуется 61 кДж / моль, остальные 85 кДж / моль энергии превращается в тепло [31].

При полном окислении глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2 840 кДж / моль [32], если сравнить это значение с общим выходом екзергоничних реакций гликолиза (146 кДж / моль), то становится понятно, что 95% энергии глюкозы остается "заключенной" в молекулах пирувата. Хотя реакции гликолиза являются универсальными почти для всех организмов, дальнейшая судьба его продуктов - пирувата и НАД Н - отличается у разных живых существ и зависит от условий.

В аэробных организмов при достаточной концентрации кислорода НАД + регенерируется путем передачи электронов в електронтранспортний цепь, который в эукариот расположен во внутренней мембране митохондрий. Конечным акцептором электронов при этом является кислород. Пируват подвергается окислительного декарбоксилирования, превращается в ацетил-КоА и поступает в цикл Кребса, где происходит его дальнейшее окисление. Отщепленным электроны также попадают в електронтранспортний цепь.

С другой стороны, в анаэробных условиях восстановлен НАД H не может передать свои электроны на кислород, поэтому он переносит их или непосредственно назад на молекулу пирувата, как в процессе молочнокислого брожения, или на определенные продукты его превращения, например в ацетальдегид в случае спритового брожения. Анаэробный метаболизм глюкозы дает значительно меньше энергии, чем аэробный [29].


5. Включение других углеводов в процесс гликолиза

Кроме глюкозы в процессе гликолиза превращается еще большое количество углеводов, важнейшими из которых являются полисахариды крахмал и гликоген, дисахариды сахароза, лактоза, мальтоза и трегалоза, а также моносахариды, такие как фруктоза, галактоза и манноза [33].


5.1. Полисахариды

Схема включения в подготовительную фазу гликолиза гликогена, крахмала, дисахаридов и гексоз

Полисахариды, которые включаются в процесс гликолиза, могут иметь различное происхождение, от чего зависит их судьба. Крахмал и гликоген, попадающих в организм животных с пищей, подлежат гидролиза до мономеров ( глюкозы) в пищеварительной системе. У человека расщепление этих полисахаридов начинается в ротовой полости, продолжается в двенадцатиперстной кишке и завершается образованием глюкозы у стенок тонкого кишечника, где она и всасывается в кровь, откуда может поглощаться клетками и использоваться в процессе гликолиза [33].

С другой стороны, эндогенные полисахариды, откладываются про запас в клетках растений (крахмал) и животных и грибов (гликоген), включаются в гликолиз другим путем. Они подлежат не гидролиза, а фосфоролиза, который осуществляют фермента фосфорилазы крахмала и гликогенфосфорилаза соответственно. Они катализируют атаку фосфорной кислоты на гликозидной α1 → 4 Связь между последним и предпоследним остатками глюкозы с нередукуючого конца. Продуктом реакции является глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазы на глюкозо-6-фосфат, который является промежуточным метаболитом гликолиза. Механизм такого превращения похож на Изомеризацию 3-фосфоглицерату до 2-фосфоглицерат. Фосфоролиза внутриклеточных полисахаридов выгоден тем, что позволяет сохранить часть энергии гликозидных связей благодаря образованию фосфорилированного моносахарида. Таким образом экономится одна молекула АТФ на одну молекулу глюкозы [34].


5.2. Дисахариды

Как и полисахариды, дисахариды перед всасыванием должны быть гидролизованные к моносахаридов, что у человека катализируется ферментами присоединенными к внешней стороне клеток эпителия тонкого кишечника. Сахарозу расщепляет сахараза, мальтозу - мальтаза, трегалозы - Трегалаза, лактозу - лактаза. Экспрессия гена последнего фермента существенно снижается у взрослых млекопитающих, в том числе и у человека (лактоза - это дисахарид молока, которое большинство млекопитающих употребляют лишь в раннем детстве). Это приводит к невосприимчивости лактозы - непереваренный дисахарид становится пищей для микроорганизмов, живущих в толстом кишечнике. Они размножаются, выделяют большое количество газов ( водорода и метана), молочной кислоты, что повышает осмотичность содержимого кишечника. Вследствие этого возникает вздутие, метеоризм, боль и диарея. От невосприимчивости лактозы не страдают популяции людей на севере Европы и в некоторых районах Африки, которые получили полезной способности синтезировать фермент лактазу протяжении всей жизни [35] [36].


5.3. Моносахариды

У большинства организмов нет отдельных путей для утилизации фруктозы, галактозы и маннозы. Все они превращаются в фосфорилированные производные и вступают в процесс гликолиза. Фруктоза, что попадает в организм человека с фруктами и в результате расщепления сахарозы в большинстве тканей, кроме печени, например в мышцах и почках, фосфорилируется гексокиназой в фруктозо-6-фосфата с использованием одной молекулы АТФ. В печени она имеет другой путь превращения: сначала фруктокиназы переносит фосфатную группу на C-1 фруктозы, образованный фруктозо-1-фосфат расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолаза до глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфату. Обе триозы превращаются в глицеральдгед-3-фосфат: первый - под влиянием триозокиназа, второй - под влиянием гликолитического фермента триозофосфатизомеразы [35] [37].

Галактоза образуется в организме в результате расщепления молочного сахара. Она поступает в печень и там превращается в глюкозо-6-фосфат за четыре шага: сначала галактокиназа катализирует фосфорилирование в первом положении, на образованный галактозо-1-фосфат переносится уридильна группа из УДФ-глюкозы при участии фермента галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Продуктами второй реакции является глюкозо-1-фосфат и УДФ-галактоза. Глюкозо-1-фосфат под влиянием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат и поступает в гликолиз, а УДФ-галактоза используется для регенерации УДФ-глюкозы, катализируемой УДФ-галактоза-4-епимеразою [38]. Дефект любого из ферментов метаболического пути превращения галактозы в глюкозу вызывает заболевание галактоземию. В зависимости от того, какой именно фермент не работает, галактоземия может быть различной сложности: например дисфункция галактокиназы вызывает образование катаракт у младенцев в результате отложения в хрусталике метаболита галактозы галактитолу, другие симптомы сравнительно легкие и могут быть устранены путем ограничения употребления лактозы и галактозы. Нарушение функционирования трансферазы и епимеразы приводит к серьезным последствиям, в частности дефектов в развитии нервной системы, повреждение печени, что может быть летальным [35] [36].

Источником маннозы в организме могут быть разные полисахариды и гликопротеины пищи, она фосфорилируется в шестом положении гексокиназой, после чего может быть изомеризована в фруктозо-6-фосфата фосфоманозоизомеразою [35].


6. Регуляция гликолиза

Изучая процесс брожения у дрожжей Луи Пастер заметил такую ​​закономерность: как скорость поглощения, так и общее количество использованной клетками глюкозы сильно увеличивалась за анаэробных условиях по сравнению с аэробными. Причины этого явления, которое было названо эффектом Пастера, стали понятны после детального изучения процессов катаболизма : в присутствии кислорода происходит полное окисления глюкозы до углекислого газа и воды, что сопровождается синтезом 30-32 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы, а при его отсутствии брожения дает выход только 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Итак, в анаэробных условиях клетке нужно употребить в 15 раз больше глюкозы, чтобы получить то же количество АТФ [39].

Эффект Пастера свидетельствует о том, что гликолиз не происходит с одинаковой скоростью при любых условиях, а строго регулируется в клетке в зависимости от ее метаболических потребностей для того, чтобы поддерживать концентрацию АТФ примерно на стабильном уровне и обеспечивать при необходимости строительные блоки для других метаболических путей . Моментальная регуляция может происходить за счет изменения активности трех ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Все они катализируют необратимые реакции и не участвуют в процессе глюконеогенеза. Более долговременные изменения в скорости прохождения гликолиза происходят благодаря гормонам глюкагона, адреналина, инсулина, а также путем изменения экспрессии генов гликолитических ферментов [39] [40].


6.1. Гексокиназа

Сравнение кинетических свойств гексокиназы I мышц и гексокиназы IV (глюкокиназы) печени

У человека есть четыре изоформы фермента гексокиназы (I-IV), отличающиеся своими свойствами. Гексокиназа II, которая преобладает в мышечной ткани, имеет высокое сродство к своему субстрату - глюкозы, и уже при концентрации 0,1 мМ, в 40-50 раз меньше содержание глюкозы в крови, фермент наполовину насыщается. Благодаря этому гексокиназа II может работать с максимальной интенсивностью. Вместе с гексокиназой I, также присутствует в мышцах, гексокиназа II алостерично и обратимо ингибируется продуктом реакции, которую она катализирует, - глюкозо-6-фосфатом. Итак, когда гликолиз замедляется на последующих стадиях, в клетке накапливается глюкозо-6-фосфат, который подавляет реакцию собственного образования, и глюкоза больше не задерживается в клетке [41] [42].

В печени другой изоферментный состав гекоскиназы - там преобладает гексокиназа IV, которую еще называют глюкокиназы. Она отличается от других изоформ тремя особенностями. Во-первых, глюкокиназы имеет низкое сродство к глюкозе, константа Михаэлиса составляет 10 мм, что превышает нормальное содержание глюкозы в крови. Во-вторых, активность этого фермента не подавляется глюкозо-6-фосфатом. В-третьих, существует специальный регуляторный белок, присутствует только в клетках печени, ингибирует гексокиназы IV путем заякорювання в ядре, где она отделена от других ферментов гликолиза. Этот белок более эффективно действует в присутствии фруктозо-6-фосфата, в то время как большие концентрации глюкозы ослабляют эффект [43].

Набор таких свойств позволяет гексокиназы IV эффективно выполнять свою функцию: регулировать уровень глюкозы в крови. При обычных условиях, когда он не превышает нормы (4-5 мМ), гексокиназа неактивна, связана регуляторным белком в ядре и не может катализировать фосфорилирование. Вследствие этого печень не конкурирует с другими органами по глюкозу, а вновь в глюконеогенезе молекулы могут свободно выходить в кровь. Когда уровень глюкозы в крови возрастает, например после употребления пищи богатой углеводами, она быстро транспортируется GLUT2 в гептациты и вызывает диссоциацию глюкокиназы и регуляторного белка, после чего фермент может катализировать реакцию фосфорилирования [43].

Гексокиназа IV также регулируется на уровне биосинтеза белка, ее количество в клетке увеличивается, когда растут энергетические потребности, о чем может свидетельствовать низкая концентрация АТФ, высокая концентрация АМФ т.д..


6.2. Фосфофруктокиназы

Ленточная диаграмма фермента фосфофруктокиназы-1. Показаны две из четырех идентичных субъединиц. Каждая субъединица имеет активный сайт, в котором рядом расположены продукты (АДФ и фрутозо-1 ,6-бисфосфат) и алосеричний сайт, в котором связан активатор АДФ
Влияние концентрации АТФ на кинетику катализа ФФК-1
Регуляция концентрации фруктозо-2 ,6-бисфосфат гормонами инсулином и глюкагоном и влияние Ф-2 ,6-БФ на гликолиз и глюконеогенез

ФФК-1 - важнейший регуляторный фермент гликолиза, он не только катализирует необратимое преобразование, но и является первым энзимом, однозначно направляет метаболиты на путь гликолитического расщепления (глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут использоваться в других метаболических путях) [ 44] [42]. Как алостеричний фермент ФФК-1 кроме активного центра содержит также центры связывания позитивных и негативных модуляторов (активаторов и ингибиторов), к ним относятся:

  • АТФ, АДФ, АМФ. АТФ является не только субстратом, но и ингибитором для ФФК-1. Когда потребление этой молекулы в клетке происходит медленнее, чем ее синтез, она присоединяется к алостеричного центра фермента и снижает сродство ФФК-1 до фруктозо-6-фосфата. АДФ и АМФ, концентрация которых повышается в случае интенсивного использования АТФ, действуют как активаторы, ослабляя влияние АТФ на ФФК-1. Такой тип регуляции активности фосфофруктокиназы имеет место во всех тканях [45].
  • Кислотность. В мышцах активность ФФК-1 зависит от кислотности среды. Вследствие интенсивного анаэробного расщепления глюкозы во время больших нагрузок в мышечных волокнах накапливается лактат, что приводит к снижению pH до уровня, может нести угрозу повреждения ткани. В таких условиях ФФК-1 снижает свою активность приостанавливая гликолиз. В печени отсутствует такой механизм регуляции этого фермента, поскольку там не происходит синтеза молочной кислоты [46].
  • Цитрат является промежуточным метаболитом цикла трикарбоновых кислот. Его высокое содержание в цитоплазме свидетельствует о том, что клетка получает нужную энергию от окисления липидов и белков [47] и о достаточном количестве биосинтетических предшественников. Так что в таких условиях нет необходимости в расщеплении глюкозы для синтеза АТФ или получения "строительных блоков" для процессов анаболизма, так цитрат действует как ингибитор фосфофруктокиназы усиливая влияние на нее АТФ [47].
  • Фруктозо-2 ,6-бисфосфат (Ф-2 ,6-БФ) стимулирует ФФК-1 в печени, его действие связано с регулировкой уровня глюкозы в крови. Концентрация Ф-2 ,6-БФ зависит от активности бифункционального фермента ФФК-2/ФБФ-2 (фосфофруктокіназа-2/фруктозо-2 ,6-бисфосфатаза), который может осуществлять как фосфорилирования фрутозо-6-фосфту с образованием Ф-2, 6-БФ ( киназного активность), так и гидролиз последнего ( фосфатазна активность). "Переключение" активностей ФФК-2/ФБФ-2 происходит путем его фосфорилирования / дефосфорилирования, Фосфорилированная форма работает как фосфатаза, дефосфорильована - как киназа. Гормон инсулин, основная функция которого - снижение уровня глюкозы в крови, через ряд посредников стимулирует киназного активность бифункционального фермента, вследствие чего концентрация Ф-2 ,6-БФ растет и это соединение активирует ФФК-1, а следовательно и прохождения гликолиза. С другой стороны, глюкагон наоборот действует как активатор фосфтазнои активности ФФК-2/ФБФ-2, что имеет противоположный эффект на гликолитического расщепления глюкозы [47]. На активность бифункционального фермента также влияет ксилулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), который стимулирует киназного активность и таким образом ускоряет гликолиз. Эта регуляторная молекула важна для активации синтеза жирных кислот в гепатоцитах, когда в крови повышается уровень глюкозы [47].

Некоторые из модуляторов активности ФФК-1 влияют также на фермент фруктозо-1 ,6-бисфосфатазу, которая катализирует в глюконеогенезе реакцию превращения фруктозо-1 ,6-бисфосфат в фруктозо-6-фосфат, но противоположным образом: ее ингибирует АМФ и Ф-2 ,6-БФ. Итак активация гликолиза в клетке сопровождается угнетением глюконеогенеза и наоборот. Это необходимо для предотвращения лишним затратам энергии в так называемых сусбтартних циклах [41].


6.3. Пируваткиназа

У млекопитающих найдено как минимум три изоферменты пируваткиназы, что экспрессируются в различных тканях. Эти изоферменты имеют много общего, например все они подавляются высокими концентрациями ацетил-КоА, АТФ и длинноцепочечных жирными кислотами (показатели того, что клетка хорошо обеспечена энергией) [48], а также аланином (аминокислота, которая синтезируется из пирувата) [42]. Фруктозо-1 ,6-бисфосфат активирует различные изоферменты пируваткиназы [42]. Однако печеночная изоформа (пируваткиназа L) отличается от мышечной (пируваткиназы M) наличием еще одного способа регуляции - путем ковалентной модификации фосфатной группой. В ответ на низкий уровень глюкозы в крови поджелудочной железой выделяется глюкагон, активирующий цАМФ-зависимой протеинкиназы. Этот фермент фосфорилирует пируваткиназы L, вследствие чего последняя теряет свою активность. Итак гликолитического расщепления глюкозы в печени замедляется и ее могут использовать другие органы [48].


7. Гликолиз в раковых клетках

Изображение получено путем визуализации ПЭТ методом проекции крупнейшей интесивности: кроме нормального накопления ФДГ в мочевом пузыре, почках, сердце и мозга хорошо заметны метастазы рака толстого кишечника в печени

1928 Отто Варбург обнаружил, что в раковых клетках почти всех типов гликолиз и поглощения глюкозы происходит примерно в 10 раз интенсивнее, чем у здоровых, даже в присутствии больших концентраций кислорода. Эффект Варбурга стал основой для разработки нескольких методов выявления и лечения рака [39].

Все раковые клетки, по крайней мере на начальных этапах развития опухоли растут в условиях гипоксии, т.е. недостатка кислорода, из-за отсутствия сетки капилляров. Если они расположены на расстоянии более 100-200 мкм от ближайшей кровеносного сосуда, то должны полагаться только на гликолиз без дальнейшего окисления пирувата для получения АТФ. Йомвирно, что почти во всех раковых клетках в процессе злокачественной трансформации происходят следующие изменения: переход на получение энергии только путем гликолиза и приспособления к условиям повышенной кислотности, возникающие вследствие выделения молочной кислоты в межклеточную жидкость. Чем более агрессивная опухоль, тем быстрее в ней происходит гликолиз [49].

Приспособления раковых клеток к недостатку кислорода во многом происходит благодаря транскрипционных факторов индуцированном гипоксией ( англ. hypoxia-inducible transcription factor, HIF-1 ), Который стимулирует повышение экспрессии как минимум восьми генов гликолитических ферментов, а также транспортеров глюкозы GLUT1 и GLUT3, активность которых не зависит от инсулина. Еще одним ефекторм HIF-1 является выделение клетками васкулярного эндотелиального фактора роста ( англ. vascular endothelial growth factor ), Что стимулирует образование кровеносных сосудов в опухоли [49]. HIF-1 также выделяется мышцами во время тренировок, предусматривающие большую интенсивность нагрузки, в этом случае он имеет аналогичный эффект: усиливает способность к анаэробного синтеза АТФ и стимулирует рост капилляров [50].

В некоторых случаях повышенная интенсивность гликолиза может быть использована для нахождения местоположения опухоли в организме с помощью позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ). Пациенту в кровь вводят аналог глюкозы 2-флюоро-2-дезоксиглюкозу (ФДГ), меченый изотопом 18 F. Это вещество поглощается клетками и является субстратом для первого фермента гликолиза - гексокиназы, однако не может быть преобразована фосфоглюкоизмеразою, поэтому накапливается в цитоплазме. Скорость накопления зависит от интенсивности захвата аналога глюкозы и его фосфорилирования, оба процесса значительно быстрее происходят в раковых клетках, чем у здоровых. При распаде 18 F выделяются позитроны, которые фиксируются специальными сенсорами [51].

Особенности катаболизма глюкозы в злокачественных опухолях используются не только для диагностики, но и для разработки новых противораковых препаратов, среди которых: ингибиторы гексокиназы (2-дезоксиглюкоза, лонидамин, 3-бромпируват), иматиниб (Gleevec), подавляющее определенную тирозинкиназы, которая стимулирует синтез гексокиназы, и другие [51].


Примечания

  1. а б Campbell et al, 2008, p. 167
  2. а б в г д е ж и Nelson et al, 2008, p. 528
  3. а б Berg et al, 2007, p. 434
  4. Нобелевская премия по химии 1907 - www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/ на сайте Nobelprize.org - Проверено 5 апреля 2012.
  5. Нобелевская премия по химии 1929 - www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1929/ на сайте Nobelprize.org - Проверено 5 апреля 2012.
  6. Нобелевская премия по медицине и физиологии 1922 - www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1922/ на сайте Nobelprize.org - Проверено 5 апреля 2012.
  7. Alberts et al, 2007, p. 88
  8. а б в Berg et al, 2007, p. 435
  9. Marieb EN, Hoehn K Human Anatomy & Physiology 7th. - Benjamin Cummings, 2006.
  10. Prescott, 2002, p. 179
  11. Губский, 2007, с. 191
  12. Prescott, 2002, p. 176
  13. Alberts et al, 2007, p. 89
  14. а б Nelson et al, 2008, p. 530
  15. а б в г д Nelson et al, 2008, p. 532
  16. Campbell et al, 2008, p. 168
  17. Berg et al, 2007, p. 437
  18. а б в Nelson et al, 2008, p. 533
  19. Berg et al, 2007, p. 438
  20. а б в Nelson et al, 2008, p. 534
  21. а б Berg et al, 2007, p. 439
  22. Nelson et al, 2008, p. 535
  23. а б Nelson et al, 2008, p. 536
  24. Berg et al, 2007, p. 442
  25. а б в г д Nelson et al, 2008, p. 537
  26. Berg et al, 2007, p. 443
  27. Berg et al, 2007, p. 445
  28. а б в Nelson et al, 2008, p. 538
  29. а б Berg et al, 2007, p. 446
  30. Nelson et al, 2008, p. 553
  31. Nelson et al, 2008, p. 531
  32. Nelson et al, 2008, p. 527
  33. а б Nelson et al, 2008, p. 543
  34. Nelson et al, 2008, p. 544
  35. а б в г Nelson et al, 2008, p. 545
  36. а б Berg et al, 2007, p. 451
  37. Berg et al, 2007, p. 449
  38. Berg et al, 2007, p. 450
  39. а б в Nelson et al, 2008, p. 539
  40. Berg et al, 2007, p. 452
  41. а б Nelson et al, 2008, p. 583
  42. а б в г Berg et al, 2007, p. 454
  43. а б Nelson et al, 2008, p. 584-585
  44. Nelson et al, 2008, p. 585
  45. Nelson te al, 2008, p. 586
  46. Berg et al, 2007, p. 453
  47. а б в г Nelson, 2008, p. 586
  48. а б Naelson et al, 2008, p. 589
  49. а б Nelson et al, 2008, p. 540
  50. Berg et al, 2007, p. 458
  51. а б Nelson et al, 2008, p. 541

Источники