Гликолиз: локализация и стадии процесса¶
Гликолиз — это цепь биохимических реакций, в ходе которой одна молекула глюкозы (или другого сахара) распадается на две молекулы пирувата с образованием АТФ и восстановленных коферментов. Процесс является древнейшим метаболическим путём и протекает в цитоплазме (цитозоле) живых клеток — от бактерий до клеток многоклеточных организмов, включая человека.
¶Где происходит гликолиз
Гликолиз осуществляется в цитоплазме клетки, не требуя участия митохондрий. Это принципиальное отличие от последующих этапов клеточного дыхания — пируватдегидрогеназного комплекса, цикла Кребса и окислительного фосфорилирования, которые локализованы соответственно в матриксе и внутренней мембране митохондрий.
Цитоплазма представляет собой гель-подобную часть клетки вне органелл, где растворены ферменты, ионы, метаболиты и структурные белки. Все десять ферментов гликолиза находятся в растворённом виде в цитозоле; часть из них ассоциирована с цитоскелетом или мембранами, что позволяет организовать «метаболонные» комплексы — временные агрегаты ферментов, ускоряющие перенос субстрата от одного фермента к следующему.
Локализация гликолиза в цитоплазме объясняется эволюционно: предполагается, что этот путь возник до появления митохондрий и аэробных форм жизни, то есть когда кислород ещё не был доступен в качестве акцептора электронов.
¶Условия протекания
Гликолиз может идти как в присутствии кислорода (аэробные условия), так и в его отсутствие (анаэробные условия). В аэробных клетках пируват, образующийся при гликолизе, транспортируется в митохондрии для дальнейшего окисления в цикле Кребса. При недостатке кислорода пируват восстанавливается до лактата (в животных тканях) или сбраживается до этанола и CO₂ (в дрожжах), что позволяет регенерировать NAD⁺ и продолжать гликолиз.
¶Основные стадии
Гликолиз состоит из двух крупных стадий.
¶Подготовительная стадия (фосфорилирование глюкозы)
На этом этапе молекула глюкозы (6 углеродов) фосфорилируется с затратой двух молекул АТФ и расщепляется на две молекулы триозофосфатов (по 3 углерода). Ключевые реакции:
- Фосфорилирование глюкозы гексокиназой до глюкозо-6-фосфата (расход 1 АТФ).
- Изомеризация в фруктозо-6-фосфат.
- Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата фосфофруктокиназой-1 (ПФК-1) до фруктозо-1,6-бисфосфата (расход 1 АТФ). ПФК-1 — ключевой фермент, определяющий скорость всего пути.
- Расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата альдолазой на глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат.
- Изомеризация дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат.
Итог подготовительной стадии: две молекулы глицеральдегид-3-фосфата на каждую молекулу глюкозы, затрачено 2 АТФ.
¶Энергетическая стадия (окисление триозофосфатов)
Каждая из двух молекул глицеральдегид-3-фосфата проходит ряд реакций с образованием пирувата:
- Окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой с восстановлением NAD⁺ до NADH и присоединением неорганического фосфата.
- Перенос фосфата на АДФ с образованием АТФ (реакция Кати — первый субстратный уровень фосфорилирования).
- Внутримолекулярная перегруппировка (мутаза).
- Дегидратация.
- Перенос фосфата на АДФ с образованием АТФ (реакция пируваткиназы — второй субстратный уровень фосфорилирования).
На этой стадии на каждую триозу образуется 2 АТФ и 1 NADH, то есть на молекулу глюкозы — 4 АТФ и 2 NADH.
¶Баланс и энергетический выход
Общий баланс гликолиза на одну молекулу глюкозы:
| Показатель | Значение |
|---|---|
| Потреблено АТФ | 2 |
| Образовано АТФ | 4 |
| Чистый выход АТФ | 2 |
| Образовано NADH | 2 |
| Конечный продукт | 2 молекулы пирувата |
При аэробном дыхании 2 NADH из цитозола переносят электроны в митохондрии (через малат-аспартатовый или глицерол-3-фосфатный шuttle), где участвуют в окислительном фосфорилировании, что значительно увеличивает общий выход АТФ.
¶Регуляция
Скорость гликолиза регулируется на уровне трёх необратимых реакций, катализируемых гексокиназой, ПФК-1 и пируваткиназой. ПФК-1 ингибируется АТФ и цитратом и активируется АМФ, фруктозо-2,6-бисфосфатом. Пируваткиназа alloстерически ингибируется АТФ и активируется фруктозо-1,6-бисфосфатом (фрустозонезависимая регуляция). Гексокиназа ингибируется своим продуктом — глюкозо-6-фосфатом.
¶Значение
Гликолиз — основной источник энергии для эритроцитов, у которых нет митохондрий, а также для мозга при гипоксии и для скелетных мышц при интенсивной нагрузке. В онкологических клетках часто наблюдается повышенный гликолиз даже в аэробных условиях (эффект Варбурга).
¶Историческая справка
Путь был описан в 1930-х годах Эдвардом Густавом Кребсом и Гансом Адольфом Кребсом (а также Артуром Харденом и Вильямом Джоном Янгом, получившими Нобелевскую премию по химии в 1929 году за работы по ферментации сахара). Полный механизм, включая промежуточные соединения, был установлен к 1940-м годам усилиями Густава Эмбдена, Отто Мейергофа и Джона Пёрна — за что в их честь путь иногда называют гликолизом Эмбдена — Мейергофа — Пёрна.
Источники:
- Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленингера
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки
- Страйер Л. Биохимия
- Хлебников С.М. и др. Биохимия