Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа

Специфика процесса

Многочисленные исследования химической сути данного процесса продемонстрировали, что у начальных этапов брожения и дыхания есть сходство. Благодаря этому открытию ученые объяснили единство в живом мире. Анаэробный гликолиз происходит после того, как прошел цикл трикарбоновых кислот, завершился перенос свободных электронов. В митохондрии попадает пируват, происходит его окисление до углекислого газа. Это приводит к выделению свободной энергии из гексозы. Ферменты, являющиеся ускорителями гликолитических реакций, во многих клетках находятся в растворимой форме в цитозоле. Ускорители процесса окисления гексоз, происходящего в присутствии кислорода, сконцентрированы в митохондриальных мембранах.

Для расщепления молекулы углевода, включающего шесть атомов углерода на две молекулы, необходимо присутствие десяти активных ферментов. Исследователям удалось выделить их в чистом виде, изучить их физические и химические характеристики.

Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.

Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии.

Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта.

Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях, при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.

Первый этап гликолиза – подготовительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.

Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.

Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент глюкозофосфат-изомераза). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.

Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров.

Второй этап гликолиза – это освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.

Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) – окисление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.

В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ.

Реакция получила дополнительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (от электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.

Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.

Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы

Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях

Обмен веществ и энергии[править | править код]

Пластический и энергетический обменыправить | править код

Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.

Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

• АТФ+Н₂О -> АДФ+Н₃РО₄+Q1,
• АДФ+Н₂О->АМФ+Н₃РО₄+Q2,
• АМФ+Н₂О->аденин+рибоза+Н₃РО₄+Q3,

где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза — до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.

Медицинская значимость

По мере накопления лактата, который образуется при анаэробных условиях, развивается в крови лактацидоз. Он приводит к понижению реакции среды крови, что сопровождается резкими нарушениями в метаболизме клеток. Подобный процесс происходит при патологических процессах, связанных с нарушениями снабжения кислородом тканей. Например, при инфаркте миокарда, кровотечениях, легочной эмболии. Обусловлен этот процесс сахарным диабетом, при котором вместо аэробного гликолиза происходит анаэробный процесс.

Учитывая, что инсулин является ускорителем гликолиза, при первом типе диабета наблюдается замедление гликолиза. Именно поэтому те препараты, которые стимулируют ферменты, используемые для данного процесса, выполняют функцию лечения заболевания.

История исследования

Гликолиз первый из открытых и наиболее исследован метаболический путь. 1897 братья Ганс и Эдуард Бюхнер занимались изготовлением бесклеточной 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 этиловому спирту. Так впервые установлено, что брожение может происходить вне живых клеток. В 1907 году Эдуарду Бюхнеру была присуждена Нобелевская премия по химии.

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 года), в мышцах — Густав Эмбден и Отто Меергоф (Нобелевская премия по медицине и физиологии 1922 ). Также свой вклад в исследование гликолиза сделали Карл Нойберг, Яков Парнас, Герти и Карл Кори.

Важными «побочными» открытиями, сделанными благодаря изучению гликолиза, была разработка многих методов очистки ферментов, выяснения центральной роли АТФ и других фосфорильованих соединений в метаболизме, открытие коэнзимов, таких как НАД.

Стадии процесса

Процесс гликолиза происходит в клетках живых организмов. Он сопровождается образованием пировиноградной кислоты, состоит из нескольких этапов. Для дыхательного распада нужно активировать глюкозу. Происходит подобный процесс при фосфорилировании атома углерода при взаимодействии с АТФ.

глюкоза + АТФ = глюкозо-6-фосфат + АДФ

Для проведения данного химического взаимодействия используют катионы магния и гексокиназу (фермент). Далее происходит изомеризация продукта реакции в фруктозу-6-фосфат. В качестве катализатора применяют фермент фосфоглюкоизомеразу.

Гликолиз глюкозы характеризуется еще одной стадией, в которой участвует АТФ. Присоединение фосфорной кислоты происходит к первому атому углерода во фруктозе. Последующие этапы гликолиза связаны с расцеплением полученного фруктозо-1,6-дифосфата до триоз, образованием ФГА (3-фосфоглицеринового альдегида).

Гликолиз — многостадийный процесс, связанный с выделением энергии. При расщеплении одной молекулы глюкозы получают две молекулы ФГА, поэтому происходит их повтор.

Гликолиз — это процесс, который в суммарном виде представлен уравнением:

C6H12O6 + 2АТФ + 2НАД + 2Фн + 4АДФ → 2ПВК 2НАДН + 2Н+ + 4АТФ + 2АДФ

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. 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 у позвоночных животных, дрожжей и растений. Как показало секвенирования ДНК геномов большого количества организмов, только в некоторых архей и паразитических бактерий отсутствуют один или несколько ферментов гликолиза, несмотря на то, что сам путь сохраняется, вероятно, в модифицированном виде.

В эукариотических клетках реакции гликолиза происходят в цитозоле. В большинстве таких клеток именно этот среди других метаболических путей занимает первое место по количеству атомов углерода, которые превращаются в нем. Для таких тканей млекопитающих, как мозг (за исключением условий голодания), 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 . Также от гликолиза главным образом зависят растительные ткани, специализированные на хранении крахмала (например клубни картофеля), и водные растения, такие как настурция лекарственная.

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

Суммарный выход гликолиза

Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:

Глюкоза + 2Ф _н + 2АДФ + 2НАД + → 2 пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н + + 2Н _{2 О.}

Суммарное количество энергии, выделяющейся 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.

При полном окислении глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2840 кДж / моль, 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 НАДН — отличается в разных живых существ и зависит от условий.

В аэробных организмов при достаточной концентрации кислорода НАД + регенерируется путем передачи электронов в дыхательная цепь переноса электронов, 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. Отщеплений электроны также попадают в дыхательная цепь переноса электронов.

С другой стороны, в анаэробных условиях восстановлен НАДH 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.

Гликолиз в раковых клетках

1928 Отто Варбург обнаружил, что в раковых клетках почти всех типов гликолиз и поглощение 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.

Все раковые клетки, по крайней мере на начальных этапах развития опухоли растут в условиях гипоксии, то есть 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, возникающих вследствие выделения молочной кислоты в межклеточную жидкость. Чем более агрессивная опухоль, тем быстрее в ней происходит гликолиз.

Приспособление 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. 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.

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 в здоровых. При распаде 18 F выделяются позитроны, которые фиксируются специальными сенсорами.

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.

Физиологическое значение

Гликолиз можно считать универсальным способом катаболизма глюкозы. Его активно используют про- и эукариотические организмы. Ферменты, являющиеся катализаторами гликолиза, растворяются в воде, накапливаются в цитозоле. Часть клеток и тканей животных могут катаболизировать гексозу только путем гликолиза. Например, подобные способности есть у клеток почечных каналов, нейронов мозга.

В жировой ткани и печени есть некоторые отличия в физиологической роли гликолиза. При пищеварении в жировой ткани и в печени данный процесс является источником субстратов, используемых в синтезе жиров.

Часть тканей растений запасают крахмал в клубнях. Водные растения энергию получают через гликолиз.

В анаэробных условиях происходит превращение пирувата в этанол и лактат. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии.

Гликолиз имеет существенное физиологическое значение в адипоцитах. С его помощью вместо окислительного процесса происходит липогенез, позволяющий снижать окислительный стресс.