Гликолиз или путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса

Путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса – это сумма последовательно происходящих биохимических реакций, в ходе которых глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, а клетка обогащается энергией. Сначала гликолиз был установлен и изучен у животных. В настоящее время известно, что этот универсальный процесс присущ также растениям, грибам и бактериям. Этот процесс подразделяют на две стадии: 1) активирование и расщепление глюкозы; 2) окисление, восстановление и образование АТФ и пирувата (рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема реакций гликолиза

Начинается гликолиз с активирования молекулы гексозы. Инертность последней доказывается ее присутствием во многих клетках. Активирование происходит за счет присоединения к молекуле глюкозы остатка фосфорной кислоты от АТФ. В результате реакции, происходящей при участии гексокиназы, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат.

Таким образом, даже такой физиологический процесс, который обогащает в конечном итоге клетку энергией и способен выполнять работу, сам вначале требует энергии, т. е. связан с расходованием АТФ. Глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф) и служит начальным материалом для дальнейших превращений, составляющих в зеленых растениях анаэробную фазу дыхания.

Однако, это не единственный путь использования Гл-6-Ф в растениях. При участии фосфоглюкомутазы Гл-6-Ф может превращаться в Гл-1-Ф. Из этого фосфорного эфира может в дальнейшем синтезироваться крахмал.

Таким образом, уже в самом начале дыхательных преобразований, на уровне образования Г-6-Ф, могут идти процессы, прямо противоположные конечным результатам: не запасание свободной энергии, а ее трата, не распад вещества, а его синтез.

Дальнейшее активирование глюкозы происходит путем преобразования Гл-6-Ф в фруктозу-6-фосфат (Фр-6-Ф). Реакция изомеризации идет при участии глюкозофосфатизомеразы.

Этот процесс можно рассматривать как физиологическую активацию.

Заканчивается активация молекулы глюкозы присоединением одного остатка фосфорной кислоты от АТФ и образованием очень неустойчивой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата (Фр-1,6-ДФ).

В этой реакции принимает участие фосфофруктокиназа. На этом активация глюкозы заканчивается. В этих подготовительных реакциях гликолиза на каждую молекулу глюкозы затрачивается две молекулы АТФ. Нужно подчеркнуть высокую надежность этой стадии гликолиза, поскольку некоторое ее количество всегда присутствует в водной фазе клетки. Фонд свободной глюкозы может беспрерывно пополняться за счет гидролитического разрушения запасенных поли- и олигосахаров.

При участии альдолазы неустойчивая молекула Фр-1,6-ДФ распадается на две триозы (дихотомический путь): 3-фосфоглицириновый альдегид и диоксиацетонфосфат. Отметим, что соответствующие им нефосфорилированные триозы в свободной виде в клетке не обнаружены.

Альдолаза – очень распространенный фермент, который участвует в фотосинтезе, где он работает в обратном направлении: катализирует конденсацию фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона до фруктозо-6-фосфата.

Таким образом, фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат – промежуточные продукты и дыхания и фотосинтеза.

Молекула диоксиацетонфосфата затем превращается в молекулу фосфоглицеринового альдегида. Следовательно в процессе гликолиза образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида и поэтому дальнейшие гликолитические превращения идут с коэффициентом 2.

Образовавшийся 3-фосфоглицириновый альдегид окисляется до 1,3-дифосфоглицириновой кислоты под воздействием дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида, коферментом которой является НАД⁺. Суть данной реакции состоит в том, что альдегид окисляется до кислоты. Однако кислород в этой реакции не участвует. Окисление происходит в результате дегидрирования – потери водорода, который присоединяется к НАД⁺, в результате чего последний восстанавливается.

1,3-Дифосфоглицириновая кислота при участии фосфоглицераткиназы передает один фосфорный остаток АДФ и образуется АТФ и 3-фосфоглицириновая кислота (3-ФГК).

В данном случае наблюдается явление, которое называется в биоэнергетике сопряжением. Синтез АТФ из АДФ сопряжен с окислением альдозы до кислоты. Рассмотренный путь синтеза АТФ называется субстратным фосфорилированием.

Далее, 3-ФГК при воздействии фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицириновую кислоту (2-ФГК).

Образовавшаяся 2-ФГК при участии енолазы (фосфопируватгидротаза) преобразуется в фосфоенолпируват, при этом молекула 2-ФГК отдает воду, а в остатке фосфорной кислоты возникает высокоэнергетическая связь.

Заканчивается гликолиз переносом фосфатной группы на АДФ и образованием пирувата. Реакцию катализирует пируваткиназа.

Все реакции, происходящие при гликолизе, можно представить в следующем виде:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ →

2СН₃СОСООН + 2НАДН + 2Н⁺ + 2АТФ

Во время гликолиза – первой фазы дыхания при распаде молекулы глюкозы на две молекулы пирувата (ПВК) образуется 4 молекулы АТФ. Однако 2 молекулы АТФ используются вначале процесса для активации глюкозы, таким образом, в клетке запасаются только 2 молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при активации ФГА до ФГК образуются две молекулы НАДН.

Гликолиз происходит в гиалоплазме и ядре. Для него не нужен О₂. Это анаэробная стадия дыхания.

В чем физиологический смысл гликолиза?

У аэробных организмов гликолиз является первым, подготовительным этапом дыхания. В процессе гликолиза происходит медленное выделение энергии, часть которой запасается в макроэргических связях синтезируемых молекул АТФ и может использоваться для работы клетки.

Гликолиз обеспечивает клетку промежуточными метаболитами, из которых могут синтезироваться нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. Например, пировиноградная кислота может аминироваться с образованием аланина – аминокислоты необходимой для синтеза белков.

В какой-то степени гликолиз способен регулировать ход других физиологических процессов в клетке. Можно привести такой пример. Образование из каждой молекулы гексозы двух молекул триоз может увеличить осмотический потенциал вакуолярного сока, что повлияет, в свою очередь, на поступление воды в клетку.

Гликолиз – физиологически наиболее древний способ получения свободной энергии. Для своего осуществления ему не нужны специальные органеллы, и предполагают, что его реакции как-то связаны с мембранами ЭР.

Еще одной особенностью гликолиза является то, что его реакции образуют линейную последовательность, а не цикл, поэтому они менее саморегулируемы (нет обратной связи). Однако можно отметить три этапа регуляции гликолиза. Во-первых, на уровне гексокиназной реакции, активность которой Гл-6-Ф аллостерически подавляет активность фермента гексокиназы. Во-вторых, регулирование связано с фосфофроктокиназой, активность которой возрастает при повышении содержания АДФ и Ф_н, но подавляется повышенными концентрациями АТФ. В-третьих, этап регуляции осуществляется на уровне фермента пируваткиназы, активность которой угнетается ее продуктом АТФ в высоких концентрациях, а также ацетил-СоА.