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. Г. является наиболее важным анаэробным путем распада углеводов, играющим значительную роль в обмене 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 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.

Таблица

    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 (a-кетопропионовой кислоты). Эта простейшая кетокислота занимает центральное место в превращении углеводов и участвует в обмене аминокислот 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.

    Завершающей реакцией Г. является катализируемое ферментом лактатдегидрогеназой превращение пирувата в лактат (a-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 (С₆Н₁₂О₆) + 2Ф_неорг + 2АДФ = 2лактат (С₃Н₆О₃) +2 АТФ;

    (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, a- или b-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.