Гліколіз definition of гліколіз and synonyms of гліколіз (russian)

Попередня ↔ Наступна

Arabic Bulgarian Chinese Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Finnish French German Greek Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Italian Japanese Korean Latvian Lithuanian Malagasy Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swedish Thai Turkish Vietnamese

definition - Гліколіз

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії

Гліколіз (фосфотріозний шлях. Або шунт Ембдена - Мейерхофа. Або шлях Ембдена-Мейергофа-Парнасу) - ферментативний процес послідовного розщеплення глюкози в клітинах, що супроводжується синтезом АТФ. Гліколіз при аеробних умовах веде до утворення піровиноградної кислоти (пірувату), гліколіз в анаеробних умовах веде до утворення молочної кислоти (лактату). Гліколіз є основним шляхом катаболізму глюкози в організмі тварин.

Назва «гліколіз» походить від грец. γλυκός, glykos - солодкий і грец. λύσης, lysis - розчинення.

Загальний огляд

Гликолитический шлях представляє собою 10 послідовних реакцій, кожна з яких каталізується окремим ферментом.

Процес гліколізу умовно можна розділити на два етапи. Перший етап, що протікає з витратою енергії 2 молекул АТФ. полягає в розщепленні молекули глюкози на 2 молекули глицеральдегид-3-фосфату. На другому етапі відбувається НАД -залежне окислення глицеральдегид-3-фосфату, що супроводжується синтезом АТФ. Сам по собі гліколіз є повністю анаеробним процесом, тобто не вимагає для протікання реакцій присутності кисню.

Гліколіз - один з найдавніших метаболічних процесів, відомий майже у всіх живих організмів. Імовірно гліколіз з'явився більш 3,5 млрд років тому у первинних прокариотов.

локалізація

У клітинах еукаріотичних організмів десять ферментів, які каталізують розпад глюкози до ПВК. знаходяться в цитоплазмі. всі інші ферменти, що мають відношення до енергетичного обміну, - в мітохондріях і хлоропластах. Надходження глюкози в клітину здійснюється двома шляхами: натрій-залежний симпорт (переважно для ентероцитів і епітелію ниркових канальців) і полегшена дифузія глюкози за допомогою білків-переносників. Робота цих білків-транспортерів контролюється гормонами і, в першу чергу, інсуліном. Найсильніше інсулін стимулює транспорт глюкози в м'язах і жировій тканині.

Результатом гліколізу є перетворення однієї молекули глюкози в дві молекули піровиноградної кислоти (ПВК) і утворення двох відновлювальних еквівалентів у вигляді коферменту НАД ∙ H.

Повний рівняння гліколізу має вигляд:

При відсутності або нестачі в клітці кисню піровиноградна кислота піддається відновленню до молочної кислоти, тоді загальне рівняння гліколізу буде таким:

Таким чином, при анаеробному розщепленні однієї молекули глюкози сумарний чистий вихід АТФ становить дві молекули, отримані в реакціях субстратного фосфорилювання АДФ.

У аеробних організмів кінцеві продукти гліколізу піддаються подальшим перетворенням в біохімічних циклах, що відносяться до клітинного дихання. У підсумку після повного окислення всіх метаболітів однієї молекули глюкози на останньому етапі клітинного дихання - окисного фосфорилювання, що відбувається на мітохондріального дихального ланцюга в присутності кисню, - додатково синтезуються ще 34 або 36 молекули АТФ на кожну молекулу глюкози.

Першою реакцією гліколізу є фосфорилювання молекули глюкози, що відбувається за участю тканеспецефічного ферменту гексокінази з витратою енергії 1 молекули АТФ; утворюється активна форма глюкози - глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф):

Для протікання реакції необхідна наявність в середовищі іонів Mg 2+. з яким комплексно зв'язується молекула АТФ. Ця реакція необоротна і є першою ключовою реакцією гліколізу.

Фосфорилювання глюкози переслідує дві мети: по-перше, через те що плазматична мембрана, проникна для нейтральної молекули глюкози, не пропускає негативно заряджені молекули Г-6-Ф, фосфорілірованний глюкоза виявляється замкнутою всередині клітини. По-друге, при фосфорилировании глюкоза перетворюється на активну форму, здатну брати участь в біохімічних реакціях і включатися в метаболічні цикли. Фосфорилювання глюкози - це єдина реакція в організмі, в якій глюкоза бере участь як така.

Печінковий изофермент гексокінази - глюкокіназа - має важливе значення в регуляції рівня глюкози в крові.

У наступній реакції (2) ферментом фосфоглюкоізомеразой Г-6-Ф перетворюється у фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф):

Енергія для цієї реакції не потрібно, і реакція є повністю оборотною. На даному етапі в процес гліколізу може також включатися шляхом фосфорилювання і фруктоза.

Далі майже відразу один за одним слідують дві реакції: необоротне фосфорилювання фруктозо-6-фосфату (3) і оборотне альдольної розщеплення утворився фруктозо-1,6-біфосфату (Ф-1,6-БФ) на дві тріози (4).

Фосфорилювання Ф-6-Ф здійснюється фосфофруктокинази з витратою енергії ще однієї молекули АТФ; це друга ключова реакція гліколізу, її регуляція визначає інтенсивність гліколізу в цілому.

Альдольної розщеплення Ф-1,6-БФ відбувається під дією альдолази фруктозо-1,6-біфосфату:

В результаті четвертої реакції утворюються дігідроксіацетонфосфат і глицеральдегид-3-фосфат. причому перший майже відразу під дією фосфотріозоізомерази переходить у другій (5), який і бере участь в подальших перетвореннях:

Кожна молекула гліцеральдегідфосфата окислюється НАД + в присутності дегідрогенази гліцеральдегідфосфата до 1,3-дифосфоглицерата (6):

Далі з 1,3-дифосфоглицерата. що містить макроергічні зв'язок в 1 положенні, ферментом фосфогліцераткинази на молекулу АДФ переноситься залишок фосфорної кислоти (реакція 7) - утворюється молекула АТФ:

Це перша реакція субстратного фосфорилювання. З цього моменту процес розщеплення глюкози перестає бути збитковим в енергетичному плані, так як енергетичні витрати першого етапу виявляються компенсованими: синтезуються 2 молекули АТФ (по одній на кожен 1,3-дифосфоглицерата) замість двох витрачених в реакціях 1 і 3. Для протікання даної реакції потрібна присутність в цитозолі АДФ, тобто при надлишку в клітці АТФ (і нестачі АДФ) її швидкість знижується. Оскільки АТФ, що не піддається метаболізму, в клітці не депонується а просто руйнується, то ця реакція є важливим регулятором гліколізу.

Потім послідовно: фосфогліцеролмутаза утворює 2-фосфогліцерат (8):

І нарешті відбувається друга реакція субстратного фосфорилювання АДФ з утворенням енольной форми пірувату і АТФ (10):

Реакція протікає під дією піруваткінази. Це остання ключова реакція гліколізу. Ізомеризація енольной форми пірувату в піруват відбувається неферментативно.

З моменту утворення Ф-1,6-БФ з виділенням енергії протікають тільки реакції 7 і 10. в яких і відбувається до субстратное фосфоріліровнаіе АДФ.

Подальший розвиток

Остаточна доля пірувату і НАД ∙ H. утворених в процесі гліколізу залежить від організму і умов всередині клітини, особливо від наявності або відсутності кисню або інших акцепторів електронів.

У анаеробних організмів піруват і НАД ∙ H далі піддаються бродінню. При молочнокислом бродінні, наприклад, у бактерій піруват під дією ферменту лактатдегідрогенази відновлюється в молочну кислоту. У дріжджів подібним процесом є спиртове бродіння, де кінцевими продуктами будуть етанол і вуглекислий газ. Відомо також маслянокислое і лимоннокисле бродіння.

Бродіння має важливе значення в харчовій промисловості.

У аеробів піруват як правило потрапляє в цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса), а НАД ∙ H в результаті окислюється киснем на дихального ланцюга в мітохондріях в процесі окисного фосфорилювання.

Незважаючи на те, що метаболізм людини переважно аеробний, в інтенсивно працюють скелетних м'язах спостерігається анаеробне окислення. В умовах обмеженого доступу кисню піруват перетворюється в молочну кислоту, як відбувається при молочнокислом бродінні у багатьох мікроорганізмів:

ПВК + НАД ∙ Н + H + → лактат + НАД +.

Болі в м'язах, що виникають через деякий час після незвичної інтенсивного фізичного навантаження, пов'язані з накопиченням в них молочної кислоти.

Освіта молочної кислоти є тупиковою гілкою метаболізму, але не є кінцевим продуктом обміну речовин. Під дією лактатдегідрогенази молочна кислота окислюється знову, утворюючи піруват, який і бере участь в подальших перетвореннях.

регуляція гліколізу

Розрізняють місцеву і загальну регуляцію.

Місцева регуляція здійснюється шляхом зміни активності ферментів під дією різних метаболітів всередині клітини.

Регуляція гліколізу в цілому, відразу для всього організму, відбувається під дією гормонів. які, впливаючи через молекули вторинних посередників, змінюють внутрішньоклітинний метаболізм.

Важливе значення в стимуляції гліколізу належить інсуліну. Глюкагон і адреналін є найбільш значущими гормональними інгібіторами гліколізу.

Інсулін стимулює гліколіз через:

активацію гексокіназну реакції;
стимуляцію фосфофруктокинази;
стимуляцію піруваткінази.

Також на гліколіз впливають і інші гормони. Наприклад, соматотропін пригнічує ферменти гліколізу, а тиреоїднігормони є стимуляторами.

Регуляція гліколізу здійснюється через кілька ключових етапів. Реакції, що каталізуються гексокиназой (1), фосфофруктокинази (3) і піруваткіназа (10) відрізняються істотним зменшенням вільної енергії і є практично незворотними, що дозволяє їм бути ефективними точками регуляції гліколізу.

регуляція гексокінази

Гексокіназа відзначено зниження продуктом реакції - глюкозо-6-фосфатом, який аллостеріческого зв'язується з ферментом, змінюючи його активність.

У зв'язку з тим, що основна маса Г-6-Ф в клітці проводиться шляхом розщеплення глікогену. гексокіназну реакція, по суті, для протікання гліколізу не є необхідною, і фосфорилювання глюкози в регуляції гліколізу виняткової важливості не має. Гексокіназну реакція є важливим етапом регуляції концентрації глюкози в крові і в клітці.

При фосфорилировании глюкоза втрачає здатність транспортуватися через мембрану молекулами-переносниками, що створює умови для накопичення її в клітці. Інгібування гексокінази Г-6-Ф обмежує надходження глюкози в клітину, запобігаючи її надмірне накопичення.

Глюкокіназа (IV ізотип гексокінази) печінки не відзначено зниження глюкозо-6-фосфатом, і клітини печінки продовжують накопичувати глюкозу навіть при високому вмісті Г-6-Ф, з якого в подальшому синтезується глікоген. У порівнянні з іншими ізотипів глюкокіназа відрізняється високим значенням константи Міхаеліса. тобто на повну потужність фермент працює тільки в умовах високої концентрації глюкози, яка буває майже завжди після прийому їжі.

Глюкозо-6-фосфат може перетворюватися назад в глюкозу при дії глюкозо-6-фосфатази. Ферменти глюкокіназа і глюкозо-6-фосфатаза беруть участь у підтримці нормальної концентрації глюкози в крові.

регуляція фосфофруктокинази

Інтенсивність протікання фосфофруктокіназной реакції вирішальним чином позначається на всій пропускної здатності гліколізу, а стимуляція фосфофруктокинази вважається найбільш важливим етапом регуляції.

Фосфофруктокінази (ФФК) - це тетрамерний фермент, який існує по черзі в двох конформаційних станах (R і T), які знаходяться в рівновазі і поперемінно переходять з одного в інше. АТФ є одночасно і субстратом, і аллостерическим інгібітором ФФК.

У кожній з субодиниць ФФК є по два центри зв'язування АТФ: субстратної сайт і сайт інгібування. Субстратний сайт однаково здатний приєднувати АТФ при будь-конформації тетрамера. У той час як сайт інгібування пов'язує АТФ виключно, коли фермент знаходиться в конформационное стані T. Іншим субстратом ФФК є фруктозо-6-фосфат, який приєднується до ферменту переважно в R-стані. При високій концентрації АТФ сайт інгібування займається, переходи між конформаціями ферменту стають неможливими, і більшість молекул ферменту виявляються стабілізованими в T-стані, нездатну приєднати Ф-6-Ф. Однак інгібування фосфофруктокинази АТФ пригнічується АМФ, який приєднується до R-конформації ферменту, стабілізуючи таким чином стан ферменту для зв'язування Ф-6-Ф.

Найбільш важливим же аллостерическим регулятором гліколізу і глюконеогенезу є фруктозо-2,6-біфосфат. який не є проміжною ланкою цих циклів. Фруктозо-2,6-біфосфат аллостеріческого активує фосфофруктокинази.

Синтез фруктозо-2,6-біфосфату каталізується особливим біфункціональних ферментом - фосфофруктокинази-2 / фруктозо-2,6-біфосфатазой (ФФК-2 / Ф-2,6-БФаза). У нефосфорілірованной формі білок відомий як фосфофруктокінази-2 і має каталітичну активність по відношенню до фруктозо-6-фосфату, синтезуючи фруктозо-2-6-біфосфат. В результаті чого значно стимулюється активність ФФК і сильно відзначено зниження активність фруктозо-1,6-біфосфатази. Тобто за умови активності ФФК-2 рівновагу цієї реакції між гликолизом і глюконеогенезом зміщується в бік першого - синтезується фруктозо-1,6-біфосфат.

У фосфорильованому вигляді біфункціональний фермент не має кіназної активністю, а навпаки в його молекулі активується сайт, який гідролізує Ф2,6БФ на Ф6Ф і неорганічний фосфат. Метаболічний ефект фосфорилювання біфункціонального ферменту полягає в тому, що аллостерічеськая стимуляція ФФК припиняється, аллостеріческого інгібування Ф-1,6-БФази ліквідується і рівновагу зміщується в бік глюконеогенезу. Продукується Ф6Ф і потім - глюкоза.

Взаємоперетворення біфункціонального ферменту здійснюються цАМФ-залежної протеїнкінази (ПК), яка в свою чергу регулюється циркулюючими в крові пептидними гормонами.

Коли в крові знижується концентрація глюкози, гальмується також і утворення інсуліну. а виділення глюкагону навпаки стимулюється, і його концентрація в крові різко підвищується. Глюкагон (і інші контрінсулярних гормони) зв'язуються з рецепторами плазматичної мембрани клітин печінки, викликаючи активацію мембранної аденілатциклази. Аденилатциклаза каталізує перетворення АТФ в циклічний АМФ. цАМФ зв'язується з регуляторною субодиницею протеїнкінази, викликаючи вивільнення і активізацію її каталітичних субодиниць, які фосфорилирует ряд ферментів, включаючи і біфункціонального ФФК-2 / Ф-2,6-БФазу. При цьому в печінці припиняється споживання глюкози і активізуються глюконеогенез і глікогеноліз. відновлюючи нормогликемию.

піруваткіназа

Наступним кроком, де здійснюється регуляція гліколізу, є остання реакція - етап дії піруваткінази. Для піруваткінази також описаний ряд ізоферментів, що мають особливості регуляції.

Печінкова піруваткіназа (L-тип) регулюється при фосфорилировании, аллстеріческімі ефекторами і шляхом регуляції експресії генів. Фермент інгібується АТФ і ацетил-КоА і активується фруктозо-1,6-біфосфат. Інгібування піруваткінази АТФ відбувається подібна до дії АТФ на ФФК. Зв'язування АТФ з сайтом блоку ферменту зменшує його спорідненість до фосфоенолпіруват. Печінкова піруваткіназа фосфорилируется і відзначено зниження протеїнкіназою, і таким чином також знаходиться під гормональним контролем. Крім того, активність печінкової піруваткінази регулюється і кількісно, тобто зміною рівня його синтезу. Це повільна, довготривала регуляція. Збільшення в раціоні вуглеводів стимулює експресію генів, що кодують піруваткіназа, в результаті рівень ферменту в клітині підвищується.

М-тип піруваткінази. знайдений в головному мозку, м'язах і інших глюкозо-потрібних тканинах не регулюється протеїнкіназою. Це принципово в тому, що метаболізм цих тканин визначається тільки внутрішніми потребами і не залежить від рівня глюкози в крові.

М'язова піруваткіназа не схильна до зовнішніх впливів, таким як зниження рівня глюкози в крові або викид гормонів. Позаклітинні умови, які призводять до фосфорилювання і пригнічення печінкового ізоферменту, не змінюють активність піруваткінази М-типу. Тобто інтенсивність гліколізу в поперечнополосатой мускулатурі визначається тільки умовами всередині клітини і не залежить від загальної регуляції.

Гліколіз - катаболический шлях виняткової важливості. Він забезпечує енергією клітинні реакції, в тому числі і синтез білка. Проміжні продукти гліколізу використовуються при синтезі жирів. Піруват також може бути використаний для синтезу аланіну. аспартату та інших з'єднань. Завдяки гликолизу продуктивність мітохондрій і доступність кисню не обмежують потужність м'язів при короткочасних граничних навантаженнях.