Гліколіз

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Загальна схема гліколізу

Гліко́ліз або шлях Ембдена-Меєргофа-Парнаса (від дав.-гр. γλυκός, glykos — солодкий та λύσης, lysis — розщеплення) — послідовність з десяти реакцій, які призводять до перетворення глюкози, C6H12O6, в піруват, C3H3O-3 з утворенням АТФ (аденозинтрифосфат) та НАДН (відновлений нікотинамідаденіндинуклеотид). У аеробних організмів гліколіз йде перед циклом трикарбонових кислот та ланцюгом переносу електронів, які разом добувають більшу частину енергії, яка міститься в глюкозі. За аеробних умов піруват проникає в мітохондрії, де повністю окиснюється до СО2 та Н2О. При недостатньому вмісті кисню, як це буває в м'язах, які активно скорочуються, піруват перетворюється на лактат. У деяких анаеробних організмах, наприклад, дріжджів, піруват перетворюється не в лактат, а в етанол. Утворення етанолу та лактату з глюкози — це приклади бродіння.

Історія дослідження[ред.ред. код]

Гліколіз перший із відкритих і найбільш досліджений метаболічний шлях[1][2]. 1897 року брати Ганс та Едуард Бюхнери займались виготовленням безклітинних екстрактів дріжджів для терапевтичного застосування. Очевидно, вони не могли використовувати отруйні для людини антисептики, як фенол, тому спробували поширений у кулінарії консервант — сахарозу. З'ясувалось, що в дріжджових екстрактах ця речовина швидко зброджувалась до етилового спирту. Так було вперше встановлено, що бродіння може відбуватись поза межами живих клітин[3]. У 1907 році Едуарду Бюхнеру була присуджена Нобелівська премія з хімії[4].

Із часу відкриття позаклітинного бродіння до 1940-их років дослідження реакцій гліколізу було одним із основних завдань біохімії. Описом цього метаболічного шляху у клітинах дріжджів займались Отто Варбург, Ганс фон Ейлер-Хельпін та Артур Гарден (два останні отримали Нобелівську премію з хімії 1929 року[5]), у м'язах — Густав Ембден та Отто Меєргоф[2] (Нобелівська премія з медицини та фізіології 1922 року[6]). Також свій вклад у дослідження гліколізу зробили Карл Нойберг, Яків Парнас, Герті та Карл Корі[3].

Важливими «побічними» відкриттями, зробленими завдяки вивченню гліколізу, була розробка багатьох методів очищення ферментів, з'ясування центральної ролі АТФ та інших фосфорильованих сполук у метаболізмі, відкриття коензимів, таких як НАД[2].

Поширення і значення[ред.ред. код]

Гліколіз є майже універсальним для всіх клітинних організмів шляхом катаболізму глюкози. Ймовірно, він виник на ранніх етапах розвитку життя на Землі, ще до того, як в атмосфері накопичився кисень внаслідок діяльності фотосинтезуючих організмів[2][7]. Послідовність гліколітичних реакцій — надзвичайно еволюційно консервативний шлях. Ферменти, що беруть в ньому участь, проявляють високий ступінь гомології як в амінокислотній послідовності, так і тримірній структурі у хребетних тварин, дріжджів та рослин. Як показало секвенування ДНК геномів великої кількості організмів, тільки в деяких архей та паразитичних бактерій відсутні один або кілька ферментів гліколізу, попри те, що сам шлях зберігається, ймовірно, у модифікованій формі[2].

В еукаріотичних клітинах реакції гліколізу відбуваються у цитозолі. У більшості таких клітин саме цей з поміж інших метаболічних шляхів посідає перше місце за кількістю атомів Карбону, що перетворюються в ньому[2]. Для таких тканин ссавців, як мозок (за винятком умов голодування[8]), мозковий шар нирок, сперматозоїди, а також еритроцити, у яких повністю відсутні мітохонондрії, гліколіз є єдиним джерелом метаболічної енергії. Для м'язів в умовах дуже великого навантаження гліколіз вигідний не тільки тому, що дає можливість отримати енергію за нестачі кисню, а ще й тому, що він відбувається дуже швидко і забезпечує синтез АТФ у 10,5 разів швидше, ніж аеробне окиснення органічних речовин[9]. Також від гліколізу головним чином залежать рослинні тканини, спеціалізовані на зберіганні крохмалю (наприклад бульби картоплі), та водяні рослини, такі як настурція лікарська[2].

Іншими шляхами окиснення глюкози є пентозофосфатний шлях та шлях Ентнера-Дудорова. Останній є заміною гліколізу в деяких грам-негативних та, дуже рідко, грам-позитивних бактерій і має багато спільних із ним ферментів[10].

Реакції гліколізу[ред.ред. код]

Узагальнена схема двох стадій гліколізу

Традиційно гліколіз поділяють на дві стадії: підготовчу, що передбачає вклад енергії (п'ять перших реакцій), та стадію віддачі енергії (п'ять останніх реакцій)[11][1][12][2]. Інколи четверту та п'яту реакції виділяють в окрему проміжну стадію[8][13].

На першій стадії відбувається фосфорилювання глюкози у шостому положенні, ізомеризація отриманого глюкозо-6-фосфату до фруктозо-6-фосфату, та повторне фосфорилювання вже у першому положенні, внаслідок чого утворюється фруктозо-1,6-бісфосфат. Фосфатні групи на моносахариди переносяться із АТФ. Це необхідно для активації молекул — збільшення вмісту в них вільної енергії[14]. Далі фруктозо-1,6-бісфосфат розщеплюється до двох фосфотріоз, які можуть вільно перетворюватись одна в одну.

На другій стадії (віддачі енергії) фосфотріоза (гліцеральдегід-3-фосфат) окиснюється та фосфорилюється неорганічним фосфатом. Отриманий продукт у серії екзергонічних реакцій спряжених із синтезом чотирьох молекул АТФ перетворюється до пірувату. Отже, під час гліколізу відбувається три принципові перетворення:

Перша стадія[ред.ред. код]

Фосфорилювання глюкози[ред.ред. код]

Перша реакція гліколізу — фосфорилювання глюкози з утворенням глюкозо-6-фосфату, що каталізується ферментом гексокіназою. Донором фосфатної групи є молекула АТФ. Реакція відбувається тільки у присутності іонів Mg2+, через те що справжнім субстратом для гексокінази є не АТФ4-, а комплекс MgАТФ2-. Магній екранує негативний заряд фосфатної групи, таким чином полегшуючи здійснення нуклеофільної атаки на останній атом фосфору гідроксильною групою глюкози[15].

Glycolysis1.svg

ΔG0 = −16,7 кДж/моль

Внаслідок фосфорилювання відбувається не тільки активація молекули глюкози, а й її «ув'язнення» всередині клітини: плазматична мембрана має білки-переносники для глюкози, але не для її фосфорильованої форми. Тому велика заряджена молекула глюкозо-6-фосфату не може проникнути через мембрану незважаючи на те, що її концентрація у цитоплазмі більша, аніж у позаклітинній рідині[15][16][8].

Фермент гексокіназа присутній майже у всіх організмів, основним його субстратом є глюкоза. Проте він може каталізувати фосфорилювання інших гексоз: D-фруктози, D-манози тощо. У людини є чотири ізоформи гексокінази (від I до IV). Один із ізоферментів — гексокіназа IV або глюкокіназа — відрізняється від інших форм особливостями кінетики та регулювання його активності[15].

Ізомеризація глюкозо-6-фосфату[ред.ред. код]

У другій реакції гліколізу відбувається ізомеризація глюкозо-6-фосфату до фруктозо-6-фосфату під впливом ферменту глюкозофосфатізомерази (гексозофосфатізомерази). Спочатку відбувається відкриття шестичленного піранозного кільця глюкозо-6-фосфату, тобто перехід цієї речовини у лінійну форму, після чого карбонільна група із першого положення переноситься у друге через проміжну ендіольну форму[15]. Тобто альдоза перетворюється у кетозу. Утворена лінійна молекула фруктозо-6-фосфату замикається у п'ятичленне фуранозне кільце[17].

Phosphohexose isomerase mechanism.svg

ΔG0 = 1,7 кДж/моль

Через незначну зміну вільної енергії реакція є оборотною. Ізомеризація глюкозо-6-фосфату — це необхідна умова для подальшого проходження гліколізу, оскільки наступна реакція — ще одне фосфорилювання, потребує наявності гідроксильної групи в першому положенні[15].

Фосфорилювання фруктозо-6-фосфату[ред.ред. код]

Після стадії ізомеризації йде друга реакція фосфорилювання, у якій фруктозо-6-фосфат перетворюється у фруктозо-1,6-бісфосфат за рахунок приєднання фосфатної групи АТФ. Реакцію каталізує фермент фосфофруктокіназа-1 (скорочено ФФК-1, існує також фермент ФФК-2, що каталізує утворення фруктозо-2,6-бісфосфату в іншому метаболічному шляху)[18].

Glycolysis3.svg

ΔG0 = −14,2 кДж/моль

В умовах цитоплазми клітини ця реакція є незворотною. Вона першою достовірно визначає розщеплення речовин по гілколітичному шляху, оскільки глюкозо-6-фосфат та фруктозо-6-фосфат можуть вступати в інші метаболічні перетворення, а фруктозо-1,6-бісфосфат використовується тільки у гліколізі. Саме утворення фруктозо-1,6-бісфосфату є лімітуючою стадією гліколізу[18].

У рослин, деяких бактерій та найпростіших є також форма фосфофруктокінази, що використовує як донор фосфатної групи пірофосфат, а не АТФ. ФФК-1 як алостеричний фермент підлягає складним механізмам регулювання. До позитивних модуляторів належать продукти розщеплення АТФ — АДФ та АМФ, рибулозо-5-фосфат (проміжний продукт пентозофосфатного шляху), у деяких організмів фруктозо-2,6-бісфосфат. Негативним модулятором є АТФ[18].

Розщеплення фруктозо-1,6-бісфосфату на дві фосфотріози[ред.ред. код]

Фруктозо-1,6-бісфосфат розщеплюється до двох фосфотріоз: гліцеральдегід-3-фосфат та дигідроксиацетонфосфат під впливом фруктозо-1,6-фосфатальдолази (частіше просто альдолаза). Назва ферменту альдолази походить від зворотної реакції альдольної конденсації[19]. Механізм проходження реакції зображений на схемі:

Glycolysis4.svg

ΔG0 = 23,8 кДж/моль

Хоча стандартна зміна вільної енергії під час розщеплення фруктозо-1,6-бісфосфату є позитивною і має велике абсолютне значення, в реальних умовах клітини через низьку концентрацію фосфотріоз реакція легко проходить в обидві сторони[20].

Описаний механізм реакції характерний тільки для альдолази класу I, поширеної у клітинах рослин та тварин. У клітинах бактерій та грибів присутня альдолаза класу II, яка каталізує реакцію іншим шляхом[20].

Механізм реакції альдольного розщеплення ще раз демонструє важливість ізомеризації у другій реакції гліколізу. Якби такому перетворенню підлягала альдоза (глюкоза), то утворилася б одна двокарбонова та одна чотирикарбонова сполука, кожна з яких мала б метаболізуватись власним шялхом. Натомість трикарбонові сполуки утворені внаслідок розщеплення кетози (фруктози) можуть легко перетворюватись одна в одну[21].

Ізомеризація фосфотріоз[ред.ред. код]

У подальших реакціях гліколізу бере участь тільки одна із фосфотріоз утворених з фруктозо-1,6-бісфосфату, а саме гліцеральдегід-3-фосфат. Проте інший продукт — дигідроксиацетонфосфат — швидко і зворотно може перетворюватись у гліцеральдегід-3-фосфат (каталізує цю реакція тріозофосфатізомераза)[20].

Glycolysis5.svg

ΔG0 = 7,5 кДж/моль

Механізм реакції схожий на ізомеризацію глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат. Рівновага реакції зміщена в сторону утворення дигідроксиацетонфосфату (96 %), проте через постійне використання гліцеральдегід-3-фосфату весь час відбувається зворотне перетворення[21].

Після перетворення двох «половинок» глюкози у гліцеральдегід-3-фосфат атоми Карбону, що походять від її C-1, C-2 та C-3, стають хімічно невідмінними від C-6, C-5 та C-4 відповідно. Ця реакція завершує підготовчу стадію гліколізу[22].

Друга стадія[ред.ред. код]

Окиснення гліцеральдегід-3-фосфату[ред.ред. код]

Зміна вільної енергії під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату та фосфорлиювання утвореного 3-фосфогліцерату, якщо вони відбуваються послідовно (зверху) та якщо вони спряжені завдяки ковалентному зв'язуванню проміжного продукту із ферментом (знизу).

Першою реакцією стадії віддачі енергії гліколізу є окиснення гліцеральдегід-3-фосфату із одночасним його фосфорилюванням, що здійснюється ферментом гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою. Альдегід перетворюється не у вільну кислоту, а в змішаний ангідрид із фосфатною кислотою (1,3-бісфосфогліцерат). Сполуки такого типу — ацилфосфати — мають дуже велику негативну зміну вільної енергії гідролізу (ΔG0 = −49,3 кДж/моль)[23].

Реакцію перетворення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-бісфосфогліцерату можна розглядати як два окремі процеси: окиснення альдегідної групи НАД+ та приєднання фосфатної групи до утвореної карбонової кислоти. Перша реакція термодинамічно вигідна (ΔG0 = −50 кДж/моль), друга навпаки невигідна. Зміна вільної енергії для другої реакції майже така ж, лише позитивна. Якби вони відбувались послідовно одна за одною, то друга реакція вимагала б надто великої енергії активації, щоб протікати в умовах живої клітини із задовільною швидкістю. Але обидва процеси є спряженими завдяки тому, що проміжна сполука — 3-фосфогліцерат — ковалентно зв'язана із залишком цистеїну тіоестерним зв'язком в активному центрі ферменту. Такий тип зв'язку дозволяє «законсервувати» частину енергії, що виділяється під час окиснення гліцеральдегід-3-фосфату, та використати її для реакції із ортофосфатною кислотою[24].

Glycolysis6.svg

ΔG0 = 6,3 кДж/моль

Для проходження цієї стадії гліколізу необхідний кофермент НАД+. Його концентрація в клітині (менше 10−5М) значно менша, ніж кількість глюкози, що метаболізується за декілька хвилин. Тому в клітині постійно відбувається повторне окиснення НАД+[23].

Перенесення фосфатної групи 1,3-бісфосфогліцерату на АДФ[ред.ред. код]

У наступній реакції великий запас енергії ацилфосфату використовується для синтезу АТФ. Фермент фосфогліцераткіназа (назва від зворотної реакції) каталізує перенесення фосфатної групи із 1,3-бісфосфогліцерату на АДФ, крім АТФ продуктом реакції є 3-фосфогліцерат[25].

Glycolysis7.svg

ΔG0 = −18,6 кДж/моль

Такий тип синтезу АТФ, при якому використовується розчинна сполука із високим потенціалом перенесення фосфатної групи, називається сусбстратним фосфорилюванням, на противагу окисному фосфорилюванню, що має місце під час аеробного окиснення у внутрішній мембрані мітохондрій[26][25].

Шоста та сьома реакції гліколізу спряжені між собою і 1,3-бісфосфогліцерат є спільним проміжним продуктом. Перша з них сама по собі була б ендергонічною, проте затрати енергії компенсуються другою — виражено екзергонічною[25]. Сумарне рівняння цих двох процесів можна записати так:

Гліцеральдегід-3-фосфат + АДФ + Фн + НАД+ → 3-фосфогліцерат + АТФ + НАДH(H+), ΔG0 = −12,2 кДж/моль;

Слід зауважити, що для однієї молекули глюкози ця реакція відбувається двічі, оскільки з однієї молекули глюкози були утворені дві молекули гліцеральдегід-3-фосфату. Отже, на цьому етапі синтезуються дві молекули АТФ, що покриває енергетичні затрати першої стадії гліколізу.

Ізомеризація 3-фосфогліцерату[ред.ред. код]

У восьмій реакції гліколізу фермент фосфогліцератмутаза у присутності іонів Магнію каталізує перенесення фосфатної групи 3-фосфогліцерату із третього положення в друге, внаслідок чого утворюється 2-фосфогліцерат. Реакція відбувається у два етапи: на першому із них фосфатна група, початково приєднана до залишку гістидину в активному центрі ферменту, переноситься на C-2 3-фосфогліцерату, внаслідок чого утворюється 2,3-бісфосфогліцерат. Після цього фосфатна група у третьому положенні синтезованої сполуки переноситься на гістидин. Таким чином регенеруються фосфорильований фермент та продукується 2-фосфогліцерат[25][27].

Glycolysis8.svg

ΔG0 = 4,4 кДж/моль

Початкове фосфорилювання фосфогліцератмутази здійснюється реакцією із 2,3-бісфосфогліцерату, незначної концентрації якого достатньо для активації ферменту[25].

Дегідратація 2-фосфогліцерату[ред.ред. код]

Наступна реакція — утворення енолу з результаті дегідратації (відщеплення води) 2-фосфогліцерату — веде до утворення фосфоенолпірувату (скорочено ФЕП) і каталізується ферментом енолазою.

Glycolysis9.svg

ΔG0 = 7,5 кДж/моль

Це друга реакція утворення речовини із високим потенціалом перенесення фосфатної групи в процесі гліколізу. Зміна вільної енергії при гідролізі фосфатного естеру звичайного спирту значно нижча порівняно з такою зміною при гідролізі енолфосфату, зокрема для 2-фосфогліцерату ΔG0 = −17,6 кДж/моль, а для фосфоенолпірувату ΔG0 = −61,9 кДж/моль[28].

Перенесення фосфатної групи із ФЕП на АДФ[ред.ред. код]

Остання реакція гліколізу — перенесення фосфатної групи із фосфоенолпірувату на АДФ — каталізується піруваткіназою у присутності іонів K+ та Mg2+ або Mn2+. Продуктом цієї реакції є піруват, який спочатку утворюється в енольній формі, після чого швидко і неферментативно таутомеризується в кетонну форму[28].

Glycolysis 10.svg

Реакція має велику негативну зміну вільної енергії, головним чином завдяки екзергонічому процесу таутомеризації[29]. Близько половини енергії (30,5 кДж/моль), що виділяється при гідролізі ФЕП (61,9 кДж/моль), використовується на субстратне фосфорилювання, решта (31,5 кДж/моль) слугує як рушійна сила, що штовхає реакцію в бік утворення пірувату та АТФ. Реакція є незворотною за клітинних умов[28].

Сумарний вихід гліколізу[ред.ред. код]

Зміна вільної енергії в реакціях гліколізу в еритроцитах[30]
Реакція ΔG0
(кДж/моль)
ΔG
(кДж/моль)
Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ −16,7 −33,4
Глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат 1,7 від 0 до 25
Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-бісфосфат + АДФ −14,2 −22,2
Фруктозо-1,6-бісфосфат ↔ гліцеральдегід-3-фосфат + дигідроксиацетонфосфат 28,3 від −6 до 0
Дигідроксиацетонфосфат ↔ гліцеральдегід-3-фосфат 7,5 від 0 до 4
Гліцеральдегід-3-фосфат + Фн + НАД+ ↔ 1,3-бісфосфогліцерат + НАДH + H+ 6,3 від −2 до 2
1,3-бісфосфогліцерат + АДФ ↔ 3-фосфогліцерат + АТФ −18,8 від 0 до 2
3-фосфогліцерат ↔ 2-фосфогліцерат 4,4 від 0 до 0,8
2-фосфогліцерат ↔ фосфоенолпіруват + H2O 7,5 від 0 до 3,3
Фосфоенолпіруват + АДФ → піруват + АТФ −31,4 −16,7
Жовтим виділені реакції незворотні в реальних умовах клітини

Загальне рівняння гліколізу має такий вигляд:

Глюкоза + 2Фн + 2АДФ + 2НАД+ → 2 піруват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н+ + 2Н2О.

Сумарна кількість енергії, що виділяється у процесі розщеплення глюкози до пірувату становить 146 кДж/моль, на синтез двох молекул АТФ витрачається 61 кДж/моль, решта 85 кДж/моль енергії перетворюється у тепло[31].

При повному окисненні глюкози до вуглекислого газу та води виділяється 2 840 кДж/моль[32], якщо порівняти це значення із загальним виходом екзергонічних реакцій гліколізу (146 кДж/моль), то стає зрозуміло, що 95% енергії глюкози залишається «ув'язненою» у молекулах пірувату. Хоча реакції гліколізу є універсальними майже для всіх організмів, подальша доля його продуктів — пірувату та НАДН — відрізняється у різних живих істот та залежить від умов.

В аеробних організмів за достатньої концентрації кисню НАД+ регенерується шляхом передачі електронів в електронтранспортний ланцюг, який в еукаріот розташований у внутрішній мембрані мітохондрій. Кінцевим акцептором електронів при цьому є кисень. Піруват зазнає окисного декарбоксилювання, перетворюється у ацетил-КоА і поступає у цикл Кребса, де відбувається його подальше окиснення. Відщеплені електрони також потрапляють в електронтранспортний ланцюг.

З іншої сторони, в анаеробних умовах відновлений НАДH не може передати свої електрони на кисень, тому він переносить їх або безпосередньо назад на молекулу пірувату, як у процесі молочнокислого бродіння, або на певні продукти його перетворення, наприклад на ацетальдегід у випадку спритового бродіння. Анаеробний метаболізм глюкози дає значно менше енергії, ніж аеробний[29].

Включення інших вуглеводів у процес гліколізу[ред.ред. код]

Окрім глюкози в процесі гліколізу перетворюється ще велика кількість вуглеводів, найважливішими із яких є полісахариди крохмаль та глікоген, дисахариди сахароза, лактоза, мальтоза та трегалоза, а також моносахариди, такі як фруктоза, галактоза та маноза[33].

Полісахариди[ред.ред. код]

Схема включення у підготовчу фазу гліколізу глікогену, крохмалю, дисахаридів та гексоз

Полісахариди, що включаються в процес гліколізу, можуть мати різне походження, від чого залежить їхня доля. Крохмаль та глікоген, що потрапляють в організм тварин із їжею, підлягають гідролізу до мономерів (глюкози) у травній системі. В людини розщеплення цих полісахаридів починається у ротовій порожнині, продовжується у дванадцятипалій кишці і завершується утворенням глюкози біля стінок тонкого кишківника, де вона і всмоктується в кров, звідки може поглинатись клітинами і використовуватись у процесі гліколізу[33].

З іншої сторони, ендогенні полісахариди, що відкладаються про запас у клітинах рослин (крохмаль) та тварин і грибів (глікоген), включаються в гліколіз іншим шляхом. Вони підлягають не гідролізу, а фосфоролізу, який здійснюють ферменти фосфорилаза крохмалю та глікогенфосфорилаза відповідно. Вони каталізують атаку фосфатної кислоти на глікозидний α1→4 зв'язок між останнім та передостаннім залишками глюкози з нередукуючого кінця. Продуктом реакції є глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат перетворюється фосфоглюкомутазою на глюкозо-6-фосфат, який є проміжним метаболітом гліколізу. Механізм такого перетворення схожий на ізомеризацію 3-фосфогліцерату до 2-фосфогліцерат. Фосфороліз внутрішньоклітинних полісахаридів вигідний тим, що дозволяє зберегти частину енергії глікозидних зв'язків завдяки утворенню фосфорильованого моносахариду. Таким чином економиться одна молекула АТФ на одну молекулу глюкози[34].

Дисахариди[ред.ред. код]

Як і полісахариди, дисахариди перед всмоктуванням повинні бути гідролізовані до моносахаридів, що в людини каталізується ферментами приєднаними до зовнішньої сторони клітин епітелію тонкого кишківника. Сахарозу розщеплює сахараза, мальтозу — мальтаза, трегалозу — трегалаза, лактозу — лактаза. Експресія гену останнього ферменту суттєво знижується у дорослих ссавців, в тому числі і в людини (лактоза — це дисахарид молока, яке більшість ссавців вживають лише у ранньому дитинстві). Це призводить до несприйнятливості лактози — неперетравлений дисахарид стає поживою для мікроорганізмів, що живуть у товстому кишківнику. Вони розмножуються, виділяють велику кількість газів (водню та метану), молочної кислоти, що підвищує осмотичність вмісту кишки. Внаслідок цього виникає здуття, метеоризм, біль і діарея. Від несприйнятливості лактози не страждають популяції людей на півночі Європи та в деяких районах Африки, які набули корисної здатності синтезувати фермент лактазу впродовж всього життя[35][36].

Моносахариди[ред.ред. код]

У більшості організмів нема окремих шляхів для утилізації фруктози, галактози та манози. Всі вони перетворюються у фосфорильовані похідні і вступають у процес гліколізу. Фруктоза, що потрапляє в організм людини із фруктами та внаслідок розщеплення сахарози в більшості тканин, крім печінки, наприклад у м'язах та нирках, фосфорилюється гексокіназою до фруктозо-6-фосфату із використанням однієї молекули АТФ. У печінці вона має інший шлях перетворення: спочатку фруктокіназа переносить фосфатну групу на C-1 фруктози, утворений фруктозо-1-фосфат розщеплюється фруктозо-1-фосфатальдолазою до гліцеральдегіду та дигідроксиацетонфосфату. Обидві тріози перетворюються у гліцеральдгед-3-фосфат: перший — під впливом тріозокіназа, другий — під впливом гліколітичного ферменту тріозофосфатізомераза[35][37].

Галактоза утворюється в організмі внаслідок розщеплення молочного цукру. Вона поступає у печінку і там перетворюється на глюкозо-6-фосфат за чотири кроки: спочатку галактокіназа каталізує фосфорилювання у першому положенні, на утворений галактозо-1-фосфат переноситься уридильна група із УДФ-глюкози за участю ферменту галактозо-1-фосфатуридилтрансферази. Продуктами другої реакції є глюкозо-1-фосфат та УДФ-галактоза. Глюкозо-1-фосфат під впливом фосфоглюкомутази перетворюється у глюкозо-6-фосфат і поступає в гліколіз, а УДФ-галактоза використовується для регенерації УДФ-глюкози, що каталізується УДФ-галактоза-4-епімеразою[38]. Дефект будь-якого із ферментів метаболічного шляху перетворення галактози у глюкозу викликає захворювання галактоземію. В залежності від того, який саме фермент не працює, галактоземія може бути різної складності: наприклад дисфункція галактокінази викликає утворення катаракт у немовлят внаслідок відкладання у кришталику метаболіту галактози галактітолу, інші симптоми порівняно легкі і можуть бути усунуті шляхом обмеження вживання лактози та галактози. Порушення функціонування трансферази та епімерази призводить до серйозніших наслідків, зокрема дефектів у розвитку нервової системи, ушкодження печінки, що може бути летальним[35][36].

Джерелом манози в організмі можуть бути різні полісахариди та глікопротеїни їжі, вона фосфорилюється у шостому положенні гексокіназою, після чого може бути ізомеризована до фруктозо-6-фосфату фосфоманозоізомеразою[35].

Регуляція гліколізу[ред.ред. код]

Вивчаючи процес бродіння у дріжджів Луї Пастер помітив таку закономірність: як швидкість поглинання, так і загальна кількість використаної клітинами глюкози сильно збільшувалась за анаеробних умов порівняно з аеробними. Причини цього явища, яке було назване ефектом Пастера, стали зрозумілими після детальнішого вивчення процесів катаболізму: у присутності кисню відбувається повне окиснення глюкози до вуглекислого газу та води, що супроводжується синтезом 30—32 молекул АТФ на одну молекулу глюкози, а за його відсутності бродіння дає вихід тільки 2 молекули АТФ на молекулу глюкози. Отже, в анаеробних умовах клітині потрібно спожити у 15 разів більше глюкози, щоб отримати ту ж кількість АТФ[39].

Ефект Пастера свідчить про те, що гліколіз не відбувається з однаковою швидкістю за будь-яких умов, а строго регулюється в клітині залежно від її метаболічних потреб для того, щоб підтримувати концентрацію АТФ на приблизно стабільному рівні і забезпечувати за необхідності будівельні блоки для інших метаболічних шляхів. Моментальна регуляція може відбуватись за рахунок зміни активності трьох ферментів: гексокінази, фосфофруктокінази та піруваткінази. Всі вони каталізують незворотні реакції і не беруть участі у процесі глюконеогенезу. Більш довготривалі зміни у швидкості проходження гліколізу відбуваються завдяки гормонам глюкагону, адреналіну, інсуліну, а також шляхом зміни експресії генів гліколітичних ферментів[39][40].

Гексокіназа[ред.ред. код]

Порівняння кінетичних властивостей гексокінази I м'язів та гексокінази IV (глюкокінази) печінки

У людини є чотири ізоформи ферменту гексокінази (I–IV), що відрізняються своїми властивостями. Гексокіназа II, яка переважає у м'язовій тканині, має високу спорідненість до свого субстрату — глюкози, і вже при концентрації 0,1 мМ, що в 40—50 разів менше за вміст глюкози у крові, фермент наполовину насичується. Завдяки цьому гексокіназа II може працювати з максимальною інтенсивністю. Разом з гексокіназою I, також присутньою у м'язах, гексокіназа II алостерично і оборотно інгібується продуктом реакції, яку вона каталізує, — глюкозо-6-фосфатом. Отже, коли гліколіз сповільнюється на подальших стадіях, в клітині накопичується глюкозо-6-фосфат, який пригнічує реакцію власного утворення, і глюкоза більше не затримується в клітині[41][42].

У печінці інший ізоферментний склад гекоскінази — там переважає гексокіназа IV, яку ще називають глюкокіназою. Вона відрізняється від інших ізоформ трьома особливостями. По-перше, глюкокіназа має низьку спорідненість до глюкози, константа Міхаеліса становить 10 мМ, що перевищує нормальний вміст глюкози в крові. По-друге, активність цього ізоферменту не пригнічується глюкозо-6-фосфатом. По-третє, існує спеціальний регуляторний білок, присутній тільки в клітинах печінки, що інгібує гексокіназу IV шляхом заякорювання у ядрі, де вона відділена від інших ферментів гліколізу. Цей білок більш ефективно діє у присутності фруктозо-6-фосфату, в той час як великі концентрації глюкози послаблюють його ефект[43].

Набір таких властивостей дозволяє гексокіназі IV ефективно виконувати свою функцію: регулювати рівень глюкози в крові. За звичайних умов, коли він не перевищує норми (4—5 мМ), гексокіназа неактивна, зв'язана регуляторним білком у ядрі і не може каталізувати фосфорилювання. Внаслідок цього печінка не конкурує з іншими органами за глюкозу, а новоутворені в глюконеогенезі молекули можуть вільно виходити в кров. Коли рівень глюкози в крові зростає, наприклад після вживання їжі багатої на вуглеводи, вона швидко транспортується GLUT2 у гептацити і спричиняє дисоціацію глюкокінази і регуляторного білка, після чого фермент може каталізувати реакцію фосфорилювання[43].

Гексокіназа IV також регулюється на рівні біосинтезу білка, її кількість в клітині збільшується, коли зростають енергетичні потреби, про що може свідчити низька концентрація АТФ, висока концентрація АМФ тощо.

Фосфофруктокіназа[ред.ред. код]

Стрічкова діаграма ферменту фосфофруктокінази-1. Показані дві із чотирьох ідентичних субодиниць. Кожна субодиниця має активний сайт, у якому поруч розміщені продукти (АДФ і фрутозо-1,6-бісфосфат), та алосеричний сайт, у якому зв'язаний активатор АДФ
Вплив концентрації АТФ на кінетику каталізу ФФК-1
Регуляція концентрації фруктозо-2,6-бісфосфату гормонами інсуліном та глюкагоном і вплив Ф-2,6-БФ на гліколіз та глюконеогенез

ФФК-1 — найважливіший регуляторний фермент гліколізу, він не тільки каталізує незворотне перетворення, а й є першим ензимом, що однозначно направляє метаболіти на шлях гліколітичного розщеплення (глюкозо-6-фосфат та фруктозо-6-фосфат можуть використовуватись в інших метаболічних шляхах)[44][42]. Як алостеричний фермент ФФК-1 крім активного центру містить також центри зв'язування позитивних та негативних модуляторів (активаторів та інгібіторів), до них належать:

  • АТФ, АДФ, АМФ. АТФ є не тільки субстратом, а й інгібітором для ФФК-1. Коли споживання цієї молекули у клітині відбувається повільніше ніж її синтез, вона приєднується до алостеричного центру ферменту і знижує спорідненість ФФК-1 до фруктозо-6-фосфату. АДФ та АМФ, концентрація яких підвищується у разі інтенсивного використання АТФ, діють як активатори, послаблюючи вплив АТФ на ФФК-1. Такий тип регуляції активності фосфофруктокінази має місце у всіх тканинах[45].
  • Кислотність. У м'язах активність ФФК-1 залежить від кислотності середовища. Внаслідок інтенсивного анаеробного розщеплення глюкози під час великих навантажень у м'язових волокнах накопичується лактат, що призводить до зниження pH до рівня, що може нести загрозу ушкодження тканини. В таких умовах ФФК-1 знижує свою активність призупиняючи гліколіз. У печінці відсутній такий механізм регуляції цього ферменту, оскільки там не відбувається синтезу молочної кислоти[46].
  • Цитрат є проміжним метаболітом циклу трикарбонових кислот. Його високий вміст у цитоплазмі свідчить про те, що клітина отримує потрібну енергію від окиснення ліпідів та білків[47] і про достатню кількість біосинтетичних попередників. Отже в таких умовах нема необхідності в розщепленні глюкози для синтезу АТФ чи отримання «будівельних блоків» для процесів анаболізму, тому цитрат діє як інгібітор фосфофруктокінази підсилюючи вплив на неї АТФ[47].
  • Фруктозо-2,6-бісфосфат (Ф-2,6-БФ) стимулює ФФК-1 у печінці, його дія пов'язана із регулюванням рівня глюкози в крові. Концентрація Ф-2,6-БФ залежить від активності біфункціонального ферменту ФФК-2/ФБФ-2 (фосфофруктокіназа-2/фруктозо-2,6-бісфосфатаза), що може здійснювати як фосфорилювання фрутозо-6-фосфту з утворенням Ф-2,6-БФ (кіназна активність), так і гідроліз останнього (фосфатазна активність). «Перемикання» активностей ФФК-2/ФБФ-2 відбувається шляхом його фосфорилювання/дефосфорилювання, фосфорильована форма працює як фосфатаза, дефосфорильована — як кіназа. Гормон інсулін, основна функція якого — зменшення рівня глюкози в крові, через ряд посередників стимулює кіназну активність біфункціонального ферменту, внаслідок чого концентрація Ф-2,6-БФ зростає і ця сполука активує ФФК-1, а отже і проходження гліколізу. З іншого боку, глюкагон навпаки діє як активатор фосфтазної активності ФФК-2/ФБФ-2, що має протилежний ефект на гліколітичне розщеплення глюкози[47]. На активність біфункціонального ферменту також впливає ксилулозо-5-фосфат (проміжний продукт пентозофосфатного шляху), який стимулює кіназну активність і таким чином пришвидшує гліколіз. Ця регуляторна молекула важлива для активації синтезу жирних кислот в гепатоцитах, коли у крові підвищується рівень глюкози[47].

Деякі із модуляторів активності ФФК-1 впливають також на фермент фруктозо-1,6-бісфосфатазу, яка каталізує у глюконеогенезі реакцію перетворення фруктозо-1,6-бісфосфату у фруктозо-6-фосфат, але протилежним чином: її інгібує АМФ і Ф-2,6-БФ. Отже активація гліколізу в клітині супроводжується пригніченням глюконеогенезу і навпаки. Це необхідно для запобіганню зайвим затратам енергії у так званих сусбтартних циклах[41].

Піруваткіназа[ред.ред. код]

У ссавців знайдено як мінімум три ізоферменти піруваткінази, що експресуються в різних тканинах. Ці ізоферменти мають багато спільного, наприклад всі вони пригнічуються високими концентраціями ацетил-КоА, АТФ та довголанцюговими жирними кислотами (показники того, що клітина добре забезпечена енергією)[48], а також аланіном (амінокислота, що синтезується із пірувату)[42]. Фруктозо-1,6-бісфосфат активує різні ізоферменти піруваткінази[42]. Проте печінкова ізоформа (піруваткіназа L) відрізняється від м'язової (піруваткінази M) наявністю ще одного способу регуляції — шляхом ковалентної модифікації фосфатною групою. У відповідь на низький рівень глюкози в крові підшлунковою залозою виділяється глюкагон, що активує цАМФ-залежну протеїнкіназу. Цей фермент фосфорилює піруваткіназу L, внаслідок чого остання втрачає свою активність. Отже гліколітичне розщеплення глюкози у печінці сповільнюється і її можуть використовувати інші органи[48].

Гліколіз у ракових клітинах[ред.ред. код]

Зображення отримане шляхом візуалізації ПЕТ методом проекції найбільшої інтесивності: крім нормального накопичення ФдГ у сечовому міхурі, нирках, серці та мозку добре помітні метастази раку товстого кишківника у печінці

1928 року Отто Варбург виявив, що у ракових клітинах майже всіх типів гліколіз та поглинання глюкози відбувається приблизно у 10 разів інтенсивніше ніж у здорових, навіть у присутності великих концентрацій кисню. Ефект Варбурга став основою для розробки кількох методів виявлення та лікування раку[39].

Всі ракові клітини, принаймні на початкових етапах розвитку пухлини ростуть за умов гіпоксії, тобто нестачі кисню, через відсутність сітки капілярів. Якщо вони розташовані на відстані більше 100–200 мкм від найближчої кровоносної судини, то повинні покладатись тільки на гліколіз без подальшого окиснення пірувату для отримання АТФ. Йомвірно, що майже у всіх ракових клітинах в процесі злоякісної трансформації відбуваються такі зміни: перехід на отримання енергії тільки шляхом гліколізу та пристосування до умов підвищеної кислотності, що виникають внаслідок виділення молочної кислоти у міжклітинну рідину. Чим більш агресивна пухлина, тим швидше в ній відбувається гліколіз[49].

Пристосування ракових клітин до нестачі кисню великою мірою відбувається завдяки транскрипційному фактору індукованому гіпоксією (англ. hypoxia-inducible transcription factor, HIF-1), який стимулює підвищення експресії як мінімум восьми генів гліколітичних ферментів, а також транспортерів глюкози GLUT1 та GLUT3, активність яких не залежить від інсуліну. Ще одним ефекторм HIF-1 є виділення клітинами васкулярного ендотеліального фактору росту (англ. vascular endothelial growth factor), що стимулює утворення кровоносних судин у пухлині[49]. HIF-1 також виділяється м'язами під час тренувань, що передбачають велику інтенсивність навантаження, в цьому випадку він має аналогічний ефект: підсилює здатність до анаеробного синтезу АТФ та стимулює ріст капілярів[50].

В деяких випадках підвищена інтенсивність гліколізу може бути використана для знаходження місця розташування пухлини в організмі за допомогою позитрон-емісійної томографії (ПЕТ). Пацієнту в кров вводять аналог глюкози 2-флюоро-2-дезоксиглюкозу (ФдГ), мічений ізотопом 18F. Ця речовина поглинається клітинами і є субстратом для першого ферменту гліколізу — гексокінази, проте не може бути перетворена фосфоглюкоізмеразою, тому накопичується у цитоплазмі. Швидкість накопичення залежить від інтенсивності захоплення аналога глюкози та його фосфорилювання, обидва процеси значно швидше відбуваються в ракових клітинах, ніж у здорових. При розпаді 18F виділяються позитрони, які фіксуються спеціальними сенсорами[51].

Особливості катаболізму глюкози у злоякісних пухлинах використовуються не тільки для діагностики, а й для розробки нових протиракових препаратів, серед яких: інгібітори гексокінази (2-дезоксиглюкоза, лонідамін, 3-бромпіруват), іматініб (Gleevec), що пригнічує певну тирозинкіназу, яка стимулює синтез гексокінази, та інші[51].

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б Campbell et al, 2008, p. 167
  2. а б в г д е ж и Nelson et al, 2008, p. 528
  3. а б Berg et al, 2007, p. 434
  4. Нобелівська премія з хімії 1907 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012.
  5. Нобелівська премія з хімії 1929 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012.
  6. Нобелівська премія з медицини та фізіології 1922 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012.
  7. Alberts et al, 2007, p. 88
  8. а б в Berg et al, 2007, p. 435
  9. Marieb EN, Hoehn K (2006). Human Anatomy & Physiology (вид. 7th). Benjamin Cummings. 
  10. Prescott, 2002, p. 179
  11. Губський, 2007, С. 191
  12. Prescott, 2002, p. 176
  13. Alberts et al, 2007, p. 89
  14. а б Nelson et al, 2008, p. 530
  15. а б в г д Nelson et al, 2008, p. 532
  16. Campbell et al, 2008, p. 168
  17. Berg et al, 2007, p. 437
  18. а б в Nelson et al, 2008, p. 533
  19. Berg et al, 2007, p. 438
  20. а б в Nelson et al, 2008, p. 534
  21. а б Berg et al, 2007, p. 439
  22. Nelson et al, 2008, p. 535
  23. а б Nelson et al, 2008, p. 536
  24. Berg et al, 2007, p. 442
  25. а б в г д Nelson et al, 2008, p. 537
  26. Berg et al, 2007, p. 443
  27. Berg et al, 2007, p. 445
  28. а б в Nelson et al, 2008, p. 538
  29. а б Berg et al, 2007, p. 446
  30. Nelson et al, 2008, p. 553
  31. Nelson et al, 2008, p. 531
  32. Nelson et al, 2008, p. 527
  33. а б Nelson et al, 2008, p. 543
  34. Nelson et al, 2008, p. 544
  35. а б в г Nelson et al, 2008, p. 545
  36. а б Berg et al, 2007, p. 451
  37. Berg et al, 2007, p. 449
  38. Berg et al, 2007, p. 450
  39. а б в Nelson et al, 2008, p. 539
  40. Berg et al, 2007, p. 452
  41. а б Nelson et al, 2008, p. 583
  42. а б в г Berg et al, 2007, p. 454
  43. а б Nelson et al, 2008, p. 584—585
  44. Nelson et al, 2008, p. 585
  45. Nelson te al, 2008, p. 586
  46. Berg et al, 2007, p. 453
  47. а б в г Nelson, 2008, p. 586
  48. а б Naelson et al, 2008, p. 589
  49. а б Nelson et al, 2008, p. 540
  50. Berg et al, 2007, p. 458
  51. а б Nelson et al, 2008, p. 541

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]