Гликолиз (от греч. glycus — сладкий и lysis — растворение, распад) — сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется также АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:

C6H12O6	+	2 АДФ	+	2Фн	--->	2СН3СН(ОН)СООН	+	2 АТФ	+	2Н2О
Глюкоза						Молочная кислота

В анаэробных условиях гликолиз — единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря процессу гликолиза организм человека и животных определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе. (В аэробных условиях гликолиз можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого процесса — углекислоты и воды.)

Впервые термин «гликолиз» применил Лепин в 1890 г. для обозначения процесса убыли глюкозы в крови, изъятой из кровеносной системы, т. е. in vitro.

У ряда микроорганизмов процессами, аналогичными гликолизу, являются различные виды брожения.

Последовательность реакций гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно изучены. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме клетки. В табл. 27 приведены данные относительно скорости анаэробного гликолиза в различных тканях крысы.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т. е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции связано с освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и др.

В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы. В мышечной ткани этого энзима нет (подробно см. Роль печени в углеводном обмене).

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента гексозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях и не нуждается в присутствии каких-либо кофакторов.

В третьей реакции образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает она в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АДФ и АМФ. (Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз. В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом.). При значительных величинах отношения АТФ/АДФ (что достигается в процессе окислительного фосфорилирования) активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. В целом же при повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция — реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется эта реакция ферментом триозофосфатизомеразой:

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. Однако в последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия — наиболее сложная и важная часть гликолиза. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (гликолитическую оксидоредукцию), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида), кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН₂). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает она в несколько этапов. Суммарно данную реакцию можно изобразить в следующем виде:

1,3-Дифосфоглицериновая кислота представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН₂ глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота.

В седьмой реакции, которая катализируется фосфоглицераткиназой, происходит передача богатой энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ.

В восьмой реакции происходит внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg²⁺. Кофактором фермента является также 2,3-дифосфоглицериновая кислота, аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполнялась глюкозо-1,6-дифосфатом:

В девятой реакции 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). При этом фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Реакция катализируется ферментом енолазой:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg²⁺ или Мn²⁺ и ингибируется фторидом.

В десятой реакции происходят разрыв высокоэргической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ. Катализируется эта реакция ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы Mg²⁺ или Мn²⁺, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К⁺ или другие). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В одиннадцатой реакции в результате восстановления пировиноградной кислоты образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН²⁺:

В целом последовательность протекающих при гликолизе реакций может быть представлена в следующем виде (рис. 84).

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. При этом НАД здесь играет роль лишь промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция) на пировиноградную кислоту (одиннадцатая реакция). Ниже схематично изображена реакция гликолитической оксидоредукции, а также указаны этапы, на которых происходит образование АТФ (рис. 85).

Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. В первой стадии гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). Во второй стадии образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:

C6H12O6	->	2С3Н6О3	+	210 кДж/моль
Глюкоза		Молочная кислота

Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливаются в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ. Концевая макроэргическая связь в молекуле АТФ соответствует примерно 33,6—42,0 кДж/моль. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного гликолиза составляет около 0,4.

Величины изменения свободной энергии точно определены для отдельных реакций гликолиза в интактных эритроцитах человека. Установлено, что восемь реакций гликолиза близки к равновесию, а три реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) далеки от него, поскольку они сопровождаются значительным уменьшением свободной энергии, т. е. практически являются необратимыми.

Как уже отмечалось, основной лимитирующей скорость гликолиза реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой. Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим гликолиз, служит гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂. Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени зависящих от энергии, образующейся в процессе гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ₅ и ЛДГ₄. Активность ЛДГ₅ максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ₁. Преобладание изоферментов ЛДГ₄ и ЛДГ₅ обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.

Включение других углеводов в процесс гликолиза

• Фруктоза. Установлено, что 80% фруктозы, доставляемой с пищей, метаболизируется в печени, где может подвергаться фосфорилированию до фруктозо-6-фосфата при участии фермента гексокиназы (Существует фермент фруктокиназа, который также катализирует данную реакцию, но лишь при наличии высоких концентраций фруктозы.) и АТФ:

  

  Эта реакция ингибируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-6-фосфат либо превращается в глюкозу через стадии образования глюкозо-6-фосфата и последующего отщепления фосфорной кислоты (рис. 86), либо подвергается дальнейшим превращениям. Из фруктозо-6-фосфата под влиянием фосфофруктокиназы и АТФ образуется фруктозо-1,6-дифосфат:

  

  Далее фруктозо-1,6-дифосфат может метаболизировать по пути гликолиза.

  Однако независимо от этого пути превращения фруктозы в печени и, вероятно, также в мышцах существует фермент кетогексокиназа, который катализирует фосфорилирование фруктозы во фруктозо-1-фосфат:

  

  Эта реакция не блокируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-1-фосфат расщепляется затем под действием кетозо-1-фосфатальдолазы на дигидроксиацетонфосфат и D-глицеральдегид:

  

  Образовавшийся D-глицеральдегид под влиянием соответствующей киназы (триозокиназы) подвергается фосфорилированию до глицеральдегид-3-фосфата. В этот же промежуточный продукт гликолиза переходит и дигидроксиацетонфосфат.

  Существует врожденная аномалия обмена фруктозы, или эссенциальная фруктозурия, которая связана с врожденным недостатком фермента кетогексокиназы, т. е. не образуется фруктозо-1-фосфат. В результате обмен фруктозы возможен только путем фосфорилирования до фруктозо-6-фосфата, но эта реакция тормозится глюкозой. И как следствие фруктоза накапливается в крови. Почечный порог для фруктозы очень низок, поэтому фруктозурия обнаруживается уже при концентрации фруктозы в крови, равной 0,73 ммоль/л.

• Галактоза. Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы. На рис. 87 представлен метаболизм галактозы в тканях организма, прежде всего в печени. Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ:

  

  В следующей реакции фермент гексозо-1-фосфат-уридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат и одновременное образование уридиндифосфогалактозы (УДФ-галактозы) из УДФ-глюкозы:

  

  Образовавшийся глюкозо-1-фосфат в дальнейшем либо переходит в глюкозо-6-фосфат и далее подвергается известным нам превращениям, либо под влиянием фосфатазы дает свободную глюкозу, а УДФ-галактоза подвергается весьма своеобразной эпимеризации:

  

  Это — первый путь метаболизма галактозы.

  Однако имеется и второй путь превращения галактозы. Сначала также образуется галактозо-1-фосфат. Затем в следующей реакции при участии УТФ образуются УДФ-галактоза и пирофосфат:

  

  Фермент галактозо-1-фосфат-уридилилтрансфераза находится в печени. У новорожденных он определяется в следовых количествах, а в печени взрослых людей — значительно более активен.

  В третьей реакции второго пути УДФ-галактоза переходит в УДФ-глюкозу:

  

  Наконец, в четвертой реакции, катализируемой глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФ-глюкозопирофосфорилазой), образуются глюкозо-1-фосфдт и УТФ:

  

  О дальнейшей судьбе образовавшегося глюкозо-1-фосфата было сказано выше.

  Среди патологических состояний углеводного обмена важное место занимает галактоземия — рецессивно наследуемое заболевание. При этом заболевании общее содержание сахара в крови повышается главным образом за счет галактозы, достигая 11,1 — 16,6 ммоль/л. Концентрация глюкозы в крови существенно не изменяется. Кроме галактозы, в крови накапливается также галактозо-1-фосфат. Галактоземия сопровождается галактозурией. У детей галактоземия приводит к умственной отсталости и катаракте хрусталика. Возникновение данного заболевания у новорожденных связано с недостатком фермента гексозо-1-фосфат-уридилилтрансферазы. С возрастом наблюдается ослабление этого специфического нарушения обмена углеводов, так как становится более интенсивным второй путь превращения галактозы.

Эффект Пастера

Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лактата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных исследований, касающихся роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано, что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях, где O₂ тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера, т. е. перехода в присутствии O₂ от анаэробного гликолиза или брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на более экономный путь получения энергии. В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии O₂ снижается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-видимому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения) за аденозиндифосфат (АДФ), используемый для образования аденозинтрифосфата (АТФ). Как мы уже знаем, в аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление Ф_н и АДФ, генерация АТФ, а также удаление восстановленного НАД (НАДН₂). Иными словами, уменьшение в присутствии кислорода количества Ф_н и АДФ и соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.

Гликогенолиз

Процесс анаэробного распада гликогена получил название гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии трех ферментов — гликогенфосфорилазы ,(или фосфорилазы «а»), амило-1,6-глюкозидазы и фосфоглюкомутазы.

Образовавшийся в ходе фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы АТФ (не тратится АТФ на образование глюкозо-6-фосфата). На первый взгляд, энергетически эффективность гликогенолиза может считаться несколько более высокой по сравнению с процессом гликолиза. Однако надо иметь в виду, что в процессе синтеза гликогена в тканях расходуется АТФ, поэтому в энергетическом плане гликогенолиз и гликолиз практически равноценны.