Гликолиз характеризуется тем что

Гликолиз

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. γλυκός, glykos — сладкий и греч. λύσης, lysis — растворение.

Содержание

Общий обзор

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.

Локализация

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.

Результат

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:

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

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.

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):

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 (2) 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 (3) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы (4).

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 (5), который и участвует в дальнейших превращениях:

Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД + в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата (6):

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 (8):

И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10):

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.

Дальнейшее развитие

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.

Регуляция гликолиза

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 (1), фосфофруктокиназой (3) и пируваткиназой (10) отличаются существенным уменьшением свободной энергии и являются практически необратимыми, что позволяет им быть эффективными точками регуляции гликолиза.

Регуляция гексокиназы

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.

Регуляция фосфофруктокиназы

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. АТФ 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. цАМФ 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.

Пируваткиназа

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.

Значение

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.

Источник

Гликолиз

Гликолиз (греч. glykys сладкий + lysis разрушение, распад)

ферментативный процесс анаэробного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы) в клетках человека и животных, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), основного аккумулятора химической энергии в клетке, и заканчивающийся образованием молочной кислоты (лактата). У растений и микроорганизмов процессами, аналогичными Г., являются различные виды брожения (Брожение). Г. является наиболее важным анаэробным путем распада углеводов (Углеводы), играющим значительную роль в обмене веществ и энергии (Обмен веществ и энергии). В условиях недостаточности кислорода единственным процессом, поставляющим энергию для осуществления физиологических функций организма, оказывается Г., а в аэробных условиях Г. представляет первую стадию окислительного превращения глюкозы (Глюкоза) и других углеводов до конечных продуктов их распада — СО₂ и Н₂О (см. Дыхание тканевое). Интенсивный Г. происходит в скелетных мышцах, где он обеспечивает возможность развития максимальной активности мышечного сокращения в анаэробных условиях, а также в печени, сердце, головном мозге. Реакции Г. протекают в цитозоле.

Отдельные реакции и промежуточные продукты Г. хорошо изучены, а ферменты Г., обнаруживаемые у всех живых организмов, выделены в кристаллическом состоянии. Большинство реакций Г. обратимо, однако суммарный процесс сопровождается уменьшением свободной энергии и необратим: его равновесие смещено в сторону образования лактата.

На первой стадии Г. (табл., реакции 1—5) происходит фосфорилирование молекулы глюкозы (при этом расходуется энергия АТФ) и расщепление гексозы с образованием двух взаимопревращающихся триозофосфатов — диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. На первой стадии в Г. вовлекаются и другие простые сахара (как правило, путем превращения в глюкозо-6-фосфат), а также полисахариды. Образование фосфорных производных сахаров способствует превращению циклических форм сахаров в более реакционно-способные формы — ациклические. Гликолитическое расщепление Гликогена, осуществляемое главным образом в мышцах и печени, называется гликогенолизом. Первой реакцией гликогенолиза является фосфоролиз гликогена при участии фермента гликогенфосфорилазы с образованием глюкозо-1-фосфата, в реакции, катализируемой фосфоглюкомутазой, превращающегося в глюкозо-6-фосфат, который затем подвергается дальнейшим гликолитическим превращениям. У растений субстратом Г. может служить крахмал.

Реакции и ферменты гликолиза

Вторая стадия Г. (табл., реакции 6—11) является общей для всех сахаров, участвующих в Г., и состоит в превращении глицеральдегид-3-фосфата в лактат. Центральным звеном этой стадии является гликолитическая оксидоредукция, включающая окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с аккумуляцией энергии в виде АТФ в процессе фосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) на уровне субстрата. Энергия, высвобождающаяся в результате превращения глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат (табл., реакции 6, 7), запасается в виде макроэргических фосфатных связей АТФ. Образование АТФ происходит также при разрыве макроэргической фосфатной связи фосфоенолпировиноградной кислоты (фосфоенолпирувата) и переносе фосфорильного остатка на АДФ. Внутренний окислительно-восстановительный цикл Г. завершается восстановлением пировиноградной кислоты или пирувата (α-кетопропионовой кислоты). Эта простейшая кетокислота занимает центральное место в превращении углеводов и участвует в обмене аминокислот (Аминокислоты) в качестве субстрата трансаминирования. В аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию при участии пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса с образованием ацетил-кофермента А (ацетил-КоА); это превращение является одной из стадий тканевого дыхания, итогом которой служит включение углеводов в цикл трикарбоновых кислот в качестве энергетического субстрата. Ацетил-КоА участвует также в метаболизме липидов (см. Жировой обмен) и других физиологически важных соединений (например, ацетилхолина).

Завершающей реакцией Г. является катализируемое ферментом лактатдегидрогеназой (Лактатдегидрогеназа) превращение пирувата в лактат (α-оксипропионовую кислоту). Т.о., с учетом затрат АТФ на первой стадии Г. и образования АТФ на второй стадии балансовое уравнение гликолиза из глюкозы и гликогена — (глюкоза)_n — выглядит следующим образом:

(глюкоза)_n + 3Ф_неорг. + 3АДФ = 2лактат + (глюкоза) _n-1, где Ф_неорг. — неорганический фосфат. При полном аэробном расщеплении одной молекулы глюкозы (через стадию образования ацетил-КоА из пирувата) образуется 38 молекул АТФ.

В процессе Г. происходят три практически необратимые реакции (табл., реакции 1, 3, 10), поэтому синтез глюкозы в гликолитическом пути невозможен. В связи с этим синтез глюкозы и других углеводов из неуглеводных предшественников (продуктов Г., аминокислот и других соединений), называемый глюконеогенезом (устаревшее реакция Пастера — Мейергофа), происходит в обход необратимых реакций Г. с использованием альтернативных, термодинамически благоприятных путей. Вследствие практической необратимости реакции, катализируемой пируваткиназой, фосфорилирование пирувата достигается за счет обходных реакций. Вначале происходит карбоксилирование пирувата в митохондрнях за счет энергии АТФ и при участии митохондриального фермента пируваткарбоксилазы Образовавшаяся щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат), которая не способна проникать через мембрану митохондрий для участия в последующих реакциях глюконеогенеза, происходящих в цитозоле, восстанавливается с образованием яблочной кислоты (малата) за счет восстановительных эквивалентов НАД․Н в реакции, катализируемой митохондриальной малатдегидрогеназой. Малат диффундирует в цитозоль, где окисляется при участии НАД + и малатдегидрогеназы цитозоля с образованием внемитохондриального оксалоацетата. Последний подвергается декарбоксилированию и фосфорилированию при участии гуанозинтрифосфата (ГТФ) и фермента пируваткарбоксикиназы образованием фосфоенолпирувата. Т.о., на образование 1 молекулы фосфоенолпирувата из пирувата расходуется по 1 молекуле АТФ и ПФ. У некоторых животных, растений и микроорганизмов обнаружены альтернативные пути образования фосфоенолпирувата из пирувата, в частности прямой одностадийный процесс. В результате обращения реакций Г. 2 молекулы фосфоенолпирувата превращаются к 1 молекулу фруктозо-1,6-дифосфата, из которого в обход фосфофруктокиназной реакции Г., путем необратимого гидролиза фосфатной группы в положении 1 при участии фермента фруктозодифосфатазы образуется фруктозо-6-фосфат. Образующийся из него глюкозо-6-фосфат в обход гексокиназной реакции Г. дефосфорилируется с образованием свободной глюкозы при участии фермента глюкозо-6-фосфатазы или в результате фосфоглюкомутазной реакции превращается в глюкозо-1-фосфат — ключевое промежуточное соединение в биосинтезе моно- и дисахаридов, гликогена, крахмала, структурных полисахаридов. Балансовое уравнение образования глюкозы (глюконеогенеза) из пирувата выглядит следующим образом: 2пируват (СН₃СОСООН) + 2НАД․Н + 2Н + + 4АТФ + 2ГТФ = глюкоза (С₆Н₁₂О₆) + 2НАД + + 4АДФ +2ГДФ + 6Ф_неорг.. Наряду с пируватом предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть любые соединения, превращающиеся в процессе катаболизма в пируват или в промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (см. Обмен веществ и энергии), а также образующийся при гидролизе жиров глицерин.

Скорость Г. и ее координация со скоростями других метаболических процессов, в первую очередь глюконеогенеза и цикла трикарбоновых кислот, обеспечивается действием разнообразных регуляторных механизмов. Общая скорость Г. определяется доступностью субстрата, использованием АТФ и концентрацией ферментов Г. Существенную роль в регуляции скорости Г. на уровне ферментов играют приведенные выше три практически необратимые реакции Г. Наиболее важным лимитирующим скорость Г. ферментом является фосфофруктокиназа, активность которой ингибируется АТФ, НАД․Н, лимонной кислотой (цитратом) и жирными кислотами и стимулируется АДФ и АМФ, Активности гексокиназы и пируваткиназы также регулируются (по принципу обратной связи) АДФ, АТФ, промежуточными продуктами Г. и цикла трикарбоновых кислот. Основными пунктами контроля глюконеогенеза на уровне ферментов является регуляция реакций, катализируемых пируваткарбоксилазой (активация ацетил-КоА) и фруктозодифосфатазой (ингибирование АМФ и активация АТФ), т.е. глюконеогенез зависит от наличия избытка субстрата дыхания и энергии для синтеза глюкозы. У животных и человека в регуляции Г. принимают участие Гормоны. Так, Инсулин осуществляет контроль за Г. на генетическом уровне, являясь индуктором образования ключевых ферментов Г. (гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы) и репрессором синтеза ферментов глюконеогенеза. Противоположным действием обладают катехоламины, глюкагон, АКТГ (в печени) и паратгормон (в почках).

В клетке осуществляется тонкая регуляция окислительного и анаэробного обмена. Регуляторным механизмом поддержания энергетического баланса клеток за счет переключения их с Г., или брожения, на тканевое дыхание — более экономный путь получения энергии при расщеплении углеводов с использованием более разнообразных субстратов — является эффект Пастера, который заключается в снижении скорости или полном прекращении Г. в присутствии кислорода. Эффект Пастера типичен для факультативно анаэробных клеток, способных как к Г. (брожению), так и к дыханию, и наблюдается у многих микроорганизмов, растений и животных.

Интенсивность Г. в аэробных условиях (так называемого аэробного Г.) обычно невелика, и ее повышение обычно свидетельствует о нарушении клеточного метаболизма. В норме интенсивный аэробный Г. обнаружен в эритроцитах, где количество образующегося лактата в аэробных и анаэробных условиях почти одинаково, а также в эмбриональной, регенерирующей тканях и ткани некоторых злокачественных опухолей. В клетках злокачественных опухолей наблюдается эффект Пастера, но в аэробных условиях образование лактата в них подавляется не полностью; интенсивность аэробного Г. в опухолевых клетках значительна (на счет аэробного Г. относят до 50% образующейся энергии). Результатом эффекта Пастера является резкое снижение скорости потребления глюкозы и отсутствие накопления лактата, поскольку образующийся в процессе гликолиза НАД-Н окисляется не пируватом, а с помощью так называемого глицерофосфатного челночного механизма (глицерол-3-фосфат — диоксиацетонфосфат) и ферментов дыхательной цепи переноса электронов. В опухолевых клетках накопление лактата происходит и в аэробных условиях, несмотря на нормальное функционирование цикла трикарбоновых кислот и дыхательной цепи, что обусловлено снижением активности цитоплазматической глицерол-3-фосфатдегидрогеназы и неэффективностью функционирования глицерофосфатного челночного механизма.

Механизмы эффекта Пастера до конца не выяснены. Установлено, что угнетение Г. осуществляется под действием дыхания, сопряженного с окислительным фосфорилированием. К основным механизмам эффекта Пастера относят ингибирование фосфофруктокиназы продуктами аэробною окисления (АТФ, цитратом), конкуренцию между Г. и дыханием за АДФ и неорганический фосфат, используемых для синтеза АТФ. В клетках, характеризующихся высоким уровнем аэробного Г. (например, в опухолевых клетках), наблюдают «обратный эффект Пастера», или эффект Крабтри, — торможение дыхания глюкозой. При этом дефицит образования АТФ количественно восполняется за счет Г.

Клинические признаки преобладания Г. над аэробным распадом углеводов наблюдаются при гипоксических состояниях, обусловленных нарушениями кровообращения и дыхания, высотной болезнью, анемией, наркозом, тяжелой физической нагрузкой, местным нарушением кровообращения, снижением активности тканевых окислительных ферментов, при некоторых инфекционных болезнях и интоксикациях, гиповитаминозах, сахарном диабете, поражениях паренхимы печени.

Для характеристики интенсивности протекания Г. используют определение концентрации в биологическом материале продуктов Г. пирувата и лактата, а также определение активности ферментов Г., например лактатдегидрогеназы.

При некоторых физиологических и патологических состояниях отмечают изменение содержания пирувата в биологических жидкостях и тканях человека. В крови здоровых людей, главным образом в форменных элементах, содержится 0,5—1 мг/100 мл пирувата. Содержание пирувата в моче в норме составляет 2 мг/100 мл, суточное выведение его с мочой — 10—25 мг. Накопление пирувата происходит после массивной нагрузки организма глюкозой, при гипоксии, тяжелой мышечной работе. Повышение содержания пирувата в крови (пируватемия) наблюдают при гиповитаминозе В₁ тяжелой сердечной недостаточности, ревмокардите, болезнях печени и почек, заболеваниях легких, инфекционных болезнях, злокачественных новообразованиях, сахарном диабете, интоксикациях и др. При тяжелой почечной недостаточности и в ряде других случаев повышается выведение пирувата с мочой. Количественное определение пирувата проводят обычно колориметрическими методами, основанными на его взаимодействии с нитропруссидом натрия, α- или β-нафтолом, 2,4-динитрофенилгидразином, салициловым альдегидом и др. Наиболее чувствительным является ферментативный метод определения пирувата по его восстановлению в присутствии НАД․Н и фермента лактатдегидрогеназы с регистрацией скорости окисления НАД․Н спектрометрически при длине волны 340 нм.

Содержание лактата в крови человека в норме должно быть ниже 1 ммоль/л. Оно возрастает при патологических состояниях, сопровождающихся усилением мышечных сокращений (эпилепсии, столбняке, тетании и др.), гипоксических состояниях (сердечной или легочной недостаточности, анемии и др.), злокачественных новообразованиях, острым гепатите, интоксикациях, сахарном диабете в стадии декомпенсации. Повышение концентрации лактата в крови, как правило, связано с усилением его образования в мышцах и уменьшением превращения глюкозы в гликоген в печени. При интенсивной мышечной работе содержание лактата в крови может возрастать в 5—10 раз. Наследственно обусловленное накопление лактата в крови (лактацидоз) проявляется у детей раннего возраста клинической картиной ацидоза, выраженными дыхательными нарушениями. У больных детей отмечают задержку психомоторного развития, мышечную гипотонию, однако с возрастом часто наступает улучшение.

Образование лактата в организме тесно связано с образованием пирувата. Их количественное соотношение характеризует соотношение гликолитического и окислительного превращений углеводов. В крови здоровых людей величина отношения пируват/лактат в среднем равна 10 (9,3—14,3), а ее изменение свидетельствует о нарушении нормального метаболизма.

Для определения лактата в крови используют ряд колориметрических методов. Наиболее широко в исследовании нарушений углеводного метаболизма применяют метод Баркера — Саммерсона, основанный на том, что из лактата в присутствии серной, фосфорной кислот и солей меди образуется уксусный альдегид, который реагирует с n-оксидифенилом с образованием окрашенного в фиолетовый цвет соединения. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации лактата в пробе. Наиболее точным и чувствительным методом определения лактата является ферментативный метод, основанный на дегидрировании лактата в присутствии лактатдегидрогеназы и НАД со спектрофотометрической регистрацией количества образовавшегося НАД․Н.

Библиогр.: Рахимов К.Р. и Демидова А.И. Углеводы и механизмы их усвоения, Ташкент, 1986; Уайт А. и др. Основы биохимии, пер. с англ., т. 2, М., 1981.

Гликолиз (глико- (Глик-) + греч. lysis распад, разрушение, растворение)

ферментативный процесс расщепления глюкозы, протекающий без потребления кислорода, приводящий к образованию молочной кислоты и сопровождающийся образованием АТФ; Г. является источником энергии в анаэробных условиях, например в работающей скелетной мышце.

Источник