Гликолиз
А. Гликолиз:
баланс
Гликолиз — это катаболический путь
обмена веществ в цитоплазме; он, по-видимому, протекает почти во всех организмах
и клетках независимо от того, живут они в аэробных или анаэробных условиях.
Баланс гликолиза простой: в аэробных условиях молекула глюкозы деградирует до
двух молекул пирувата. Кроме того, образуются по две молекулы АТФ и НАДН +
H+ (аэробный гликолиз). В анаэробных условиях пируват
претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию
НАД+ (см. с. 148). При этом образуются продукты брожения,
такие, как лактат или этанол (анаэробный гликолиз). В этих условиях
гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ
и неорганического фосфата.
Сахара подвергаются метаболическим превращениям преимущественно
в виде сложных эфиров фосфорной кислоты. Глюкоза, которую ткани получают
из крови, в клетке также предварительно активируется путем фосфорилирования.
В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой [1]
глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата
в фруктозо-6-фосфат [2] последний вновь
фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа
[3], катализирующая эту стадию, является важным
ключевым ферментом гликолиза (см. с. 160). До этого
момента на одну молекулу глюкозы расходуются две молекулы АТФ. фруктозо-1,6-дифосфат
расщепляется далее альдолазой [4] на два
фосфорилированных С3-фрагмента. Эти фрагменты — глицеральдегид-3-фосфат
и дигидроксиацетонфосфат — превращаются один в другой триозофосфатизомеразой
[5]. Глицеральдегид-3-фосфат затем окисляется
глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой [6]
с образованием НАДН + Н+. В этой реакции в молекулу включается неорганический
фосфат («субстратное фосфорилирование», см. с. 126)
с образованием 1,3-дифосфоглицерата. Такое промежуточное соединение содержит
смешанную ангидридную связь, расщепление которой является высоко экзоэргическим
процессом. На следующей стадии (катализируемой фосфоглицераткиназой [7])
гидролиз этого соединения сопряжен с образованием АТФ.
Следующий промежуточный продукт, гидролиз которого может быть
сопряжен с синтезом АТФ, образуется в реакции изомеризации 3-фосфоглицерата,
полученного в результате реакции [7], в 2-фосфоглицерат
(фермент: фосфоглицератмутаза [8]) и последующего
отщепления воды (фермент: енолаза [9]).
Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы
пирувата и потому называется фосфоенолпируватом (PEP). На последней стадии,
которая катализируется пируваткиназой [10],
образуются пируват и АТФ. Наряду со стадией [6]
и тиокиназной реакцией в цитратном цикле (см. с. 138)
это третья реакция, позволяющая клеткам синтезировать АТФ независимо от дыхательной
цепи. Несмотря на образование АТФ она высоко экзоэргична и потому необратима.
При гликолизе на активацию одной
молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом
превращении каждого С3-фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В
результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.
В. Изменение свободной
энергии
Энергетика метаболических процессов
зависит не только от изменения стандартной свободной энергии ΔGo',
но и от концентрации метаболита (см. с. 24). На схеме представлены
фактические изменения свободной энергии ΔG на отдельных стадиях гликолиза
в эритроцитах.
Видно, что только три реакции (1, 3
и 10) протекают с высоким изменением свободной
энергии, причем равновесие сильно смещено в сторону образования конечных продуктов
(см. с. 24). Другие реакции легко обратимы. Они могут идти
в противоположном направлении при биосинтезе глюкозы (глюконеогенезе), причем
с участием тех же ферментов, что и при деградации глюкозы. Для необратимых стадий
1, 3 и 10 в глюконеогенезе
используются обходные пути (см. с. 156).