Гликолизата представлява катаболитна поредица от реакции, при които от една молекула глюкоза се получават две молекули пирува̀т. При анаеробни условия той се преобразува в лактат или алкохол. Смята се, че гликолизата е един от първите метаболитни пътища в клетките, възникнал преди повече от 3,5 милиарда години. Гликолизата е процес, протичащ в цитоплазмата на всички клетки: от най-нисшите бактерии до най-висшия бозайник – човека. При някои тя е единственият метаболитен път за доставяне на енергия на клетката – например за бактериите, а за други тя е метаболитен път, в който се „сливат“ и други метаболити – белтъци и липиди.
Видове гликолиза
Гликолизата протича и при аеробни и при анаеробни условия. Процесът, протичащ при анаеробни условия (липса на кислород), се нарича анаеробна гликолиза – краен продукт лактат и ферментация при дрожди – алкохолна или млечнокисела ферментация. При аеробни условия, процесът се нарича аеробна гликолиза – краен продукт CO2 и H2O, протичащ на няколко етапа, гликолиза в тесен смисъл на термина, разграждане на глюкоза до пируват, пренос на пирувата в митохондриите, пируват дехидрогеназна реакция (ПДХК) с продукт ацетил-КоА и цикъл на Кребс, водещ до крайното разграждане на ацетил-КоА до CO2, H2O и редуциращи еквиваленти НАДН + Н+ и ФАДН2, субстрат на дихателните вериги с краен продукт АТФ.
Етапи на гликолизата Гликолизата е последователност от 10 реакции (стъпки), включващи 10 междинни химични съединения, разделена на две фази: подготвителна и фаза, добиваща енергия и протичащи в цитоплазмата на клетките.
Фаза Стъпка Описание Кофактор Подготвителна фаза 1. Фосфорилиране на глюкозата от ензими (нар. хексокиназа, глюкокиназа) до образуване на глюкозо-6-фосфат. Тази реакция използва АТФ. Благодарение на нея концентрацията на глюкозата в кръвообръщението се поддържа ниска, като се осигурява непрекъснат пренос на глюкоза в клетките чрез мембранните транспортери (GLUT, SGLT). Освен това излизането на глюкоза от клетките е невъзможно, защото тя няма транспортери за глюкозо-6-фосфат. Mg2+ 2. Изомеризация на глюкозо-6-фосфата във фруктозо-6-фосфат от фосфохексоизомераза (хексофосфоизомераза). Реакцията е обратима, но равновесието е изместено по посока на правата реакция, поради ниската концентрация на глюкозо-6-фосфат (консумира се непрекъснато в следващата реакция на гликолизата). Фруктозата също може да се включи в гликолитичния път чрез фосфорилиране в следващата стъпка. Mg2+ 3. Изразходване енергията на още една молекула АТФ, за превръщане на фруктозо-6-фосфат във фруктозо-1,6-бисфосфат. Гликолитичният процес е необратим и спечелената енергия дестабилизира молекулата (двата отрицателни заряда на фосфатните остатъци в молекулата на фруктозата). Тъй като реакцията, катализирана от фосфофруктокиназа-1 (ФФК1), не е енергетично изгодна и е необратима, трябва да се използва друг път, за да се осъществи обратната реакция по време на глюконеогенезата. Това прави реакцията ключова, регулаторна и скоростоопределяща. Mg2+ 4. Дестабилизирането на молекулата в предната реакция дава възможност на хексозния пръстен да се разкъса от алдолаза А на две триозни захари – дихидроацетон фосфат (кетон) и глицералдехид-3-фосфат (алдехид). Има два класа алдолази: клас 1, които се срещат при растения и животни, и клас 2, присъстващи при гъби и бактерии. Двата класа използват различни механизми за разкъсване на кетозния пръстен. 5.Триозофосфат изомеразата бързо превръща дихидроацетонфосфата в глицералдехид-3-фосфат, който продължава в гликолизата. Това е печелившо, тъй като насочва дихидроацетонфосфата по същия път като на глицералдехид-3-фосфат, опростявайки регулацията. Добиваща енергия фаза 6. Триозните захари, получени в подготвителната фаза, се дехидрогенират и към тях се добавя неорганичен фосфат, като се получава 1,3-бисфосфоглицерат. Водородът се използва за редукция на две молекули НАД+ (водороден преносител), за да даде НАДН + Н+ за всяка триоза. Ензимът, който участва, е глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа (ГАФДХ). Балансът на водородния атом и балансът на заряда се запазват, защото фосфатната група всъщност съществува под формата на водороднофосфатен анион (НРО42-), който се дисоциира, допринасяйки още един Н+ йон и да даде окончателен заряд -3 и от двете страни. 7. Eнзимнокатализиран пренос на фосфатна група от 1,3-бисфосфоглицерат върху АДФ от фосфоглицерат киназата, образувайки АТФ и 3-фосфо-глицерат. Дотук 2 молекули АТФ бяха използвани и 2 нови молекули са синтезирани. Тази стъпка е една от двете стъпки на фосфорилиране на субстратно ниво и изисква АДФ. Следователно, когато клетката има излишък от АТФ, тази реакция не се извършва. Тъй като АТФ се разгражда много бързо, ако не се използва, това е важна регулаторна точка в гликолитичния път. АДФ всъщност съществува като АДФMg-, а АТФ като АТФMg2-, балансирайки зарядите -5 от двете страни. Mg2+ 8.Фосфоглицерат мутазата превръща 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. 9.Енолазата превръща 2-фосфоглицерата във фосфоенол пируват. 2Mg2+ 1. 10. В резултат на последното фосфорилиране на субстратно ниво се получава молекула пируват (енол-пируват, спонтанно изомеризиращ до пируват) и молекула АТФ чрез ензима пируват киназа (ПК). Това служи като допълнителна регулаторна стъпка, сходна с катализираната от фосфоглицерат киназата стъпка. Mg2+ 1. Един „конформационен“ йон за свързване с карбоксилната група на субстрата и един „каталитичен“ йон, участващ в дехидратацията.
РеакцияРеакцияЕнзимΔG°' / (kJ/mol)ΔG / (kJ/mol)1Глюкоза + АТФ4− → Глюкозо-6-фосфат2− + АДФ3− + H+Хексокиназа, глюкокиназа -16.7 -342Глюкозо-6-фосфат2− ↔ Фруктозо-6-фосфат2−фосфохексо изомераза (хексофосфо изомераза)1.67 -2.93Фруктозо-6-фосфат2− + АТФ4− → Фруктозо-1,6-бисфосфат4− + АДФ3− + H+Фосфофруктокиназа-1 (ФФК1) -14.2 -194Фруктозо-1,6-бисфосфат4− ↔ Дихидрокси ацетонфосфат2− + Глицералдехид-3-фосфат2−алдолаза А23.9 -0.235Дихидроксиацетонфосфат2− → Глицералдехид-3-фосфат2−Триозофосфат изомеразата7.562.46Глицералдехид-3-фосфат2− + Фi2− + НАД+ ↔ 1,3-Бисфосфоглицерат4− + НАДH + H+глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа (ГАФДХ)6.30 -1.2971,3-Бисфосфоглицерат4− + АДФ3− ↔ 3-Фосфоглицерат3− + АТФ4−Фосфоглицерат киназа -18.90.0983-Фосфоглицерат3− ↔ 2-Фосфоглицерат3−Фосфоглицерат мутаза4.40.8392-Фосфоглицерат3− ↔ Фосфоенолпируват3− + H2OЕнолаза1.81.110Фосфоенолпируват3− + АДФ3− + H+ → Пируват− + АТФ4−пируват киназа (ПК) -31.7 -23.0 Глицералдехид-3-фосфатдехидрогеназната реакция и енолазната реакция са примери за окислително фосфорилиране в субстратната верига, продуциращи директно мол. АТФ в резултата на окисление на субстратите в самите метаболитни вериги. Благодарение на протичане им в гликолизата може да се синтезира АТФ при анаеробни условия, без участието на дихателните вериги (окислително фосфорилиране в дихателните вериги).
Наличието на кислород определя кой от двата пътя – анеробна или аеробна гликолиза следват. При анаеробни условия НАДH.Н не може да бъде последващо окислен през дихателната верига и пируватът се редуцира до катализиран лактат чрез лактат дехидрогеназа (ЛДХ). Това позволява окисляването на НАДH, позволявайки на други молекули глюкоза да се окислят в гликолизата, концентарцията на НАД+ + НАДН.Н+ = const в клетките е относително постоянна. Редуцирането на целия наличен НАД+ в клетките би инхибрало ГА3ФДХ реакция, а от там и анаеробната гликолиза. При аеробни условия пируватът се транспортира в митохондриите и претърпява окислително декарбоксилиране до ацетил-КоA (ПДХК), с последващо окисление до CO2 и вода в цикъла на лимонената киселина. Редуциращите еквиваленти от НАДH, образувани в ГА3ФДХ реакция в гликолиза, се поема в митохондриите за окисление чрез совалките – малат-аспартатна или глицерофосфатна совалка, регенериращи НАД+.
Совалки на гликолизата Вътрешната митохондриална мембрана е непропусклива за НАДН.Н+ и НАДфН.Н+. Затова водородът от двете редокс системи се пренася в митохондрии за окисление в дихателните вериги, посредством совалкови механизми. Те се състоят от цитоплазмена и митохондриални изоформи на ензими – специфични дехидрогенази и редокс-двойка нискомолукулни съединения, притежаваща окисленма форма (с кето група =О) и редуцирана форма (с хидроксилна група -ОН).
Малат-аспартатна совалка
Активна е в миокард, черен дроб и мастна тъкан. И двете изоформи на дехидрогеназния ензим – малат дехидрогеназа (МДХ) цитоплазмена и митохондриална, използват за кофактор НАД.
Глицеролфосфатна совалка
Тази совалка функционира в скелетна мускулатура, мозък и добре кръвоснабдени тъкани. Цитоплазмената изоформа на ензима глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (ГФДХ) използва за кофактор НАД, а митохондрилната – ФАД. Това е причината при използването на тази совалка да се генерира по-малко количество АТФ 36 (30 по Хинкъл).
Енергетична равносметка
Теоретични и коригирани по Hinkle стойности за брой молекули АТФ, които се получават при анаеробното разграждане на молекула глюкоза до пируват -> лактат. Стойностите по Hinkle са екпериментално установени стойности на количество синтезиран АТФ (молекули) в дихателните вериги (ДВ) от редуциращи еквиваленти – НАДН + Н+ и ФАДН2, получени от всички реакции на метаболизъм на трите основни групи вещества (въглехидрати, белтъци и липиди), протичащи в митохондриите. При анаеробни условия липсва О2. Липсата на краен субтрат О2, за действието на последния ензим цитохрам с оксидаза в ДВ, инхибира активността на дихателните вериги (те не са активни), водещо до инхибиране на ТКЦ и ПДХК. Така краен продукт при разграждането на глюкозата при анеробни условия е лактатът – реакция, катализирана от ензима лактат дехидрогеназа (ЛДХ) в цитоплазмата.
Анаеробно разграждане на глюкоза при физиологично условия се наблюдава в еритроцити (липсват митохондрии) и усилено съкращаваща се мускулатура (недостатъчно снабдяване с кръв (кислород) и изчерпване на запасите от О2 в мускулните клетки (под формата на окси-миоглобин). Увеличените нива на лактат в мускулните клетки водят до мускулна треска, която се преодолява чрез неинтензивна мускулна активност, целяща пълното разграждане на лактата в мускулите, до CO2, H2O и H2, чрез аеробна гликолиза, ЛДХ реакция е обратима, или изнасянето на лактата от мускулните клетки в кръвообръщението (ацетилсалициловата киселина има вазодилатиращо действие, спомагащо елиминирането на лактата от мускулите). При патологични състояния и онкологични заболявания се наблюдава т.нар. ефект на Пастьор, при който клетките поради намаленото си снабдяване с кръв, съответно кислород, преминават към анаеробно разграждане на глюкозата, свързано с повишен разход на глюкоза (повишена експресия на GLUT1 глюкозни транспортери) и хипогликемия. Анаеробната гликолиза и при физиологични и при патологични състояния се характеризира с повишени нива на крайния продукт от разграждането ѝ лактат в кръвната плазма -лактатемия, която може да доведе до ацидоза. Лактатът се метаболизира от черния дроб до пируват, отново чрез ензима лактат дехидрогеназа (ЛДХ1 – 5), катализиращ реакцията в обратна посока, и чрез цикъла на Кори (лактатен цикъл) от пирувата се синтезира глюкоза, използвайки ензимите на глюконеогенезата в черен дроб. Синтезираната глюкоза може отново да премине в кръвообращението (GLUT2 глюкозни транспортери в черен дроб), за утилизация от периферните тъкани, включително мускули.
Реакция, катализирана от:Теоретични стойностиСтойности по HinkleХексокиназа (глюкокиназа) - 1 - 1Фосфофруктокиназа 1 - 1 - 1Глицерат киназа + 2 + 2Пируват киназа + 2 + 2Общо:= 2= 2 Теоретични и коригирани по Hinkle стойности за брой молекули АТФ, които се получават при аеробното разграждане на молекула глюкоза до CO2, H2O и редуциращи еквиваленти – НАДН + Н+ и ФАДН2. +ПроцесТеоретични стойностиСтойности по HinkleГликолиза22ПДХК – Окислително декарбоксилиране на α-кето киселини65Цикъл на Кребс2 х 12 = 242 х 10 = 20Чрез совалките6 (4) + 5 (3)Общо:38 (36)32 (30)
Особености на протичане на гликолизата в еритроцити