Энергообеспечение мышечной деятельности

Этапы окислительного гликолиза. Фаза 1.

В аэробном гликолизе выделяются 2 фазы.

Первая фаза – подготовительная. В ней глюкоза вступает в реакцию с 2 молекулами АТФ. Эта фаза состоит из 5 последовательных  ступеней биохимических  реакций.

1-я ступень.  Фосфорилирование глюкозы

Фосфорилирование, то есть процесс переноса остатков фосфорной кислоты в первой и последующих реакциях производится за счет молекул адезинтрифосфорной кислоты.

В первой ступени остатки фосфорной кислоты из молекул адезинтрифосфата  переносятся в молекулярную структуру глюкозы. В ходе процесса получается глюкозо-6-фосфат.  В качестве катализатора в процессе выступает гексокиназа, ускоряющая процесс с помощью ионов магния, выступающих в качестве кофактора.  Ионы магния задействованы и в других реакциях гликолиза.

2-я ступень.  Образование изомера  глюкозо-6-фосфата

На 2-й ступени происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата  во фруктозу-6-фосфат.

Изомеризация – образование веществ, имеющих одинаковый вес, состав химических элементов, но обладающих разными свойствами вследствие различного расположения атомов в молекуле. Изомеризация веществ осуществляется под  действием внешних условий: давления, температур, катализаторов.

В данном случае процесс осуществляется  под действием катализатора  фосфоглюкозоизомеразы при  участии ионов Mg+.

3-я ступень. Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата

На данной ступени   происходит  присоединение фосфорильной группы за счет АТФ. Процесс осуществляется при участии фермента  фосфофруктокиназа-1. Этот фермент и предназначен только для участия в гидролизе. В результате реакции  получаются  фруктозо-1,6-бисфосфат и  нуклеотид адезинтрифосфат.

АТФ – адезинтрифосфат, уникальный источник энергии в живом организме.  Представляет собой довольно сложную и громоздкую молекулу, состоящую из углеводородных, гидроксильных групп, азота и групп фосфорной кислоты с одной свободной связью, собранных в нескольких циклических и линейных структурах. Высвобождение энергии происходит в результате взаимодействия остатков фосфорной кислоты с водой. Гидролиз АТФ сопровождается образованием фосфорной кислоты и выделением 40-60 Дж энергии, которую организм затрачивает  на свою жизнедеятельность.

Но прежде должно произойти  фосфорилирование глюкозы за счет молекулы Адезинтрифосфата, то есть перенос  остатка фосфорной кислоты в глюкозу.

4-я ступень. Распад фруктозо-1,6-дифосфата

В четвертой реакции   фруктозо-1,6-дифосфат распадается на два новых вещества.

• Диоксиацетонфосфат,
• Глицеральд альдегид-3-фосфат.

В данном химическом процессе в качестве катализатора выступает альдолаза, фермент, участвующий в энергетическом обмене, и необходимый при диагностировании ряда заболеваний.

5-я ступень.  Образование триозофосфатных  изомеров

И, наконец, последний процесс  –  изомеризация триозофосфатов.

Глицеральд-3-фосфат  продолжит участвовать в процессе аэробного гидролиза. А второй компонент – диоксиацетон фосфат при участии фермента  триозофосфатизомеразы  преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат.  Но трансформация эта –  обратимая.

Распространение и значение

Гликолиз является почти универсальным для всех клеточных организмов путем катаболизма глюкозы. Вероятно, он возник на ранних этапах развития жизни на Земле, еще до того, как в атмосфере накопился кислород в результате деятельности фотосинтезирующих организмов. Последовательность гликолитических реакций — чрезвычайно эволюционно консервативный путь. Ферменты, которые принимают в нем участие, проявляют высокую степень гомологии как в аминокислотной последовательности, так и трехмерной структуре у позвоночных животных, дрожжей и растений. Как показало секвенирования ДНК геномов большого количества организмов, только в некоторых архей и паразитических бактерий отсутствуют один или несколько ферментов гликолиза, несмотря на то, что сам путь сохраняется, вероятно, в модифицированном виде.

В эукариотических клетках реакции гликолиза происходят в цитозоле. В большинстве таких клеток именно этот среди других метаболических путей занимает первое место по количеству атомов углерода, которые превращаются в нем. Для таких тканей млекопитающих, как мозг (за исключением условий голодания), мозговой слой почек, сперматозоиды, а также эритроциты, в которых полностью отсутствуют митохонондрии, гликолиз является единственным источником метаболической энергии. Для мышц в условиях очень большой нагрузки гликолиз выгоден не только потому, что дает возможность получить энергию при недостатке кислорода, а еще и потому, что он происходит очень быстро и обеспечивает синтез АТФ в 10,5 раз быстрее, чем аэробная окисления органических веществ . Также от гликолиза главным образом зависят растительные ткани, специализированные на хранении крахмала (например клубни картофеля), и водные растения, такие как настурция лекарственная.

Другими путями окисления глюкозы является пентозофосфатный путь и путь Энтнера-Дудорова. Последний является заменой гликолиза в некоторых грамотрицательных и, очень редко, грамположительных бактерий и имеет много общих черт с ним ферментов.

Суммарный выход гликолиза

Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:

Глюкоза + 2Ф _н + 2АДФ + 2НАД + → 2 пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н + + 2Н _{2 О.}

Суммарное количество энергии, выделяющейся в процессе расщепления глюкозы до пирувата составляет 146 кДж / моль, на синтез двух молекул АТФ расходуется 61 кДж / моль, остальные 85 кДж / моль энергии превращается в тепло.

При полном окислении глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2840 кДж / моль, если сравнить это значение с общим выходом екзергоничних реакций гликолиза (146 кДж / моль), то становится понятно, что 95% энергии глюкозы остается «заключенной» в молекулах пирувата. Хотя реакции гликолиза являются универсальными почти для всех организмов, дальнейшая судьба его продуктов — пирувата и НАДН — отличается в разных живых существ и зависит от условий.

В аэробных организмов при достаточной концентрации кислорода НАД + регенерируется путем передачи электронов в дыхательная цепь переноса электронов, который в эукариот расположен во внутренней мембране митохондрий. Конечным акцептором электронов при этом является кислород. Пируват подвергается окислительного декарбоксилирования, превращается в ацетил-КоА и поступает в цикл Кребса, где происходит его дальнейшее окисление. Отщеплений электроны также попадают в дыхательная цепь переноса электронов.

С другой стороны, в анаэробных условиях восстановлен НАДH не может передать свои электроны на кислород, поэтому он переносит их или непосредственно назад на молекулу пирувата, как в процессе молочнокислого брожения, или на определенные продукты его превращения, например в ацетальдегид в случае спритового брожения. Анаэробный метаболизм глюкозы дает значительно меньше энергии, чем аэробный.

Гликолиз

Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.

Первый этап гликолиза

Первый этап гликолиза – подготовительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.

Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.

Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент глюкозофосфат-изомераза). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.

Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез глицеррол-3-фосфата для образования фосфатидной кислоты и далее тривцилглицеролов.

 Второй этап гликолиза

Второй этап гликолиза – это освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.

Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) – окисление глицеральдегидфосфата до кислоты и присоединение к ней фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.

В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (использование энергии электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.

Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.

Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ с образованием пировиноградной кислоты и АТФ.

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы

Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях

Бескислородное окисление глюкозы включает два этапа

Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.

Первый этап гликолиза

Первый этап гликолиза — подготовительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.

Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.

Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент изомераза). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.

Третья реакция — фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров — альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа — переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97 %, доля глицеральдегидфосфата — 3 %.

Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза:
• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров.

Второй этап гликолиза

Второй этап гликолиза — это освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.

Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) — окисление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.

В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название — реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (от электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

Восьмая реакция — синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.

Девятая реакция — фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.

Десятая реакция гликолиза — еще одна реакция субстратного фосфорилирования — заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая — образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы

Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях

У плода и детей первых месяцев жизни преобладает анаэробный распад глюкозы, в связи с чем концентрация молочной кислоты в крови у них выше чем у взрослых.

Примечания и ссылки

1. Стивен Д. Антон , Keelin Moehl , Уильям Т. Донахью и Krisztina Marosi , «  Подавать метаболический переключатель: Понимание и применение Польза для здоровья Голодание  », Ожирение (. Silver Spring, MD) , Vol.  26, п о  2февраль 2018, стр.  254–268
2. ↑ и (in) Реджинальд Х. Гарретт и Чарльз М. Гришем , Биохимия , Wadsworth Publishing Co Inc.,2012 г., 5- е  изд. , 1280  с.
3. Паскаль Риберо-Гайон , Дени Дюбурдье , Бернар Донеш и Алин Лонво , Договор об энологии , т.  1: Микробиология вина. Виноделие , Данод,3 октября 2012 г., 6- е  изд. ( ISBN  978-2-10-058234-1 и 2-10-058234-8 )
4. (in) HS Seeholzer, A. Jaworowski, IA Rose , Энолпируват: химическое определение как промежуточное соединение пируваткиназы , Biochemistry , vol.  30, п о  3,
   22 января 1991 г., стр.  727-732
5. Джордж Б. Джонсон , Джонатан Б. Лосос , Питер Х. Рэйвен и Сьюзан С. Сингер ( перевод  с англ.), Биология: роскошная версия , Брюссель / Париж, Superior De Boeck
   15 ноября 2009 г., 1406  с. ( ISBN  978-2-8041-6638-0 )
6. Жозеф-Пьер Гиро , Пищевая микробиология , Dunod,
   18 сентября 2012 г., 2- е  изд. ( ISBN  978-2-10-057008-9 и 2-10-057008-0 )

Что такое гликолиз

В общих чертах, гликолиз — это процесс, который происходит в цитоплазме всех клеток: от низших бактерий до высших млекопитающих — людей. Для некоторых это единственный метаболический путь доставки энергии клетке — например, для бактерий, для других же это метаболический путь, в который «сливаются» и другие метаболиты — белки и липиды.

Гликолиз — это основной путь расщепления глюкозы в нашем организме, основное биологическое значениеэтого процесса заключается в получении энергии и других продуктов обмена.

Гликолиз происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Процесс в анаэробных условиях (недостаток кислорода) называется анаэробным гликолизом  — конечным продуктом лактата и ферментации в дрожжах — алкогольной или молочнокислой ферментации.

При наличии кислорода этот процесс называется аэробным гликолизом — конечным продуктом выступают  CO2 и H2O,

Гликолиз представляет собой серию реакций, в которых одна молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата. Но так происходит не всегда, в случаях когда доступ кислорода в этой реакции затруднен, проще говоря, в анаэробных условиях, то пируват превращается в лактат или спирт.

Механизмы анаэробного метаболизма: гликолиз в анаэробных условиях

В анаэробных условиях O2 отсутствует. Отсутствие конечного субстрата O2 ингибирует активность дыхательных структур (до этого они неактивны), и таким образом конечным продуктом распада глюкозы в анаэробных условиях является лактат,

Анаэробный распад  глюкозы в физиологических условиях наблюдается в эритроцитах (без митохондрий) и в сильно сокращающихся мышцах (недостаточное кровоснабжение кислородом), это наблюдается при сильной физической работе — присутствует истощение O2 в мышечных клетках (в форме оксимиоглобина).

Лактат в мышечных клетках приводит к мышечной лихорадке, которая преодолевается неинтенсивной мышечной активностью, направленной на полное расщепление лактата в мышцах, до CO2 , H2O и H2 в результате аэробного гликолиза.

При патологических состояниях и онкологических заболеваниях, у многих людей наблюдается так называемый эффект Пастера, при котором клетки из-за уменьшенного поступления крови или кислорода переключаются на анаэробный распад глюкозы, связанный с повышенным ее потреблением (повышенная экспрессия трансмиттеров глюкозы GLUT1 ) и гипогликемией.

Анаэробный гликолиз, как при физиологических, так и при патологических состояниях, характеризуется повышенным уровнем конечного продукта в результате расщепления его лактата в плазме крови — лактатемией, что может привести к ацидозу.

Дальнейшее расщепление лактата

Лактат метаболизируется из печени в пируват, катализируя реакцию в обратном направлении, и глюкоза синтезируется пируватом с использованием ферментов глюконеогенеза в печени через цикл Кори (лактатный цикл). 

Вот в этой схеме и кроется ответ на вопрос о том, как влияет анаэробный гликолиз на производство энергии, ведь мы видим, что наша молочная кислота, образовавшаяся в мышцах, через кровь попадает в печень и участвует в процессе глюконеогенеза —  создания глюкозы из неуглеводных продуктов. 

Фаза 2. Синтез Адезинтрифосфата

В данной фазе гликолиза  будет аккумулироваться  в виде АТФ биохимическая энергия.  Адезинтрифосфат образуется из адезиндифосфата за счет фосфорилирования. А также образуется НАДН.

Аббревиатура НАДН имеет очень сложную и труднозапоминаемую для неспециалиста расшифровку – Никотинамидадениндинуклеотид. НАДН – это кофермент, небелковое соединение, участвующее в  химических процессах живой клетки.  Он существует в двух формах:

1. окисленной (NAD+, NADox);
2. восстановленной (NADH, NADred).

В обмене веществ  NAD принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях транспортируя электроны из одного химического процесса  в другой. Отдавая, или принимая электрон, молекула преобразуется из NAD+ в NADH, и наоборот.  В живом организме НАД  вырабатывается из триптофана или аспартата аминокислот.

Две микрочастицы  глицеральдегид-3-фосфата подвергаются реакциям, в ходе которых образуется пируват,  и 4 молекулы АТФ.  Но конечный выход адезинтрифосфата составит 2 молекулы, поскольку  две затрачены в подготовительной фазе.  Процесс продолжается.

6-я ступень  – окисление глицеральдегид-3-фосфата

В данной реакции происходит окисление и фосфорилирование  глицеральдегид-3-фосфата.  В итоге получается 1,3-дифосфоглицериновая кислота. В ускорении реакции участвует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа

Реакция происходит при участии энергии, полученной извне, поэтому она называется  эндергонической.  Такие реакции  протекают параллельно с  экзергоническими, то есть выделяющими, отдающими энергию. В данном случае такой реакцией служит следующий процесс.

7-я ступень. Перемещение  фосфатной группы с 1,3-дифосфоглицерата на адезиндифосфат

В этой промежуточной реакции  фосфорильная группа переносится фосфоглицераткиназой  с  1,3-дифосфоглицерата на адезиндифосфат.  В итоге получаются 3-фосфоглицерат и АТФ.

Фермент фосфоглицераткиназа приобрел свое название за способность катализировать реакции в обоих направлениях.  Этот фермент также транспортирует фосфатный остаток  с адезинтрифосфата  на  3-фосфоглицерат.

6-я и 7-я реакции  часто рассматриваются как единый процесс . 1,3-дифосфоглицерат в нем рассматривается как  промежуточный продукт.   Вместе 6-я и 7-я реакции выглядят так:

Глицеральдегид-3-фосфат+ADP+Pi +NAD+⇌3 -фосфоглицерат+ATP+NADH+Н+,ΔG′о = −12,2 кДж/моль.

И суммарно эти 2  процесса освобождают часть энергии.

8-я ступень. Перенесение фосфорильной группы с 3-фосфоглицерата.

Получение 2-фосфоглицерата – процесс обратимый, происходит под каталитическим действием фермент фосфоглицератмутазы. Фосфорильная группа переносится с двухвалентного атома углерода 3-фосфоглицерата на трехвалентный атом  2-фосфоглицерата, в итоге образуется    2-фосфоглицериновая кислота.  Реакция проходит при участи положительно заряженных ионов магния.

9-я ступень. Выделение воды из 2-фосфоглицерата

Эта реакция в своей сути является второй реакцией расщепления глюкозы (первой была реакция 6-й ступени). В ней фермент  фосфопируватгидратаза  стимулирует  отщепление воды от атома С, то есть процесс элиминирования из молекулы 2-фосфоглицерата и образование фосфоенолпирувата (фосфоенолпировиноградной кислоты).

10-я и последняя ступень. Перенос фосфатного остатка с ФЕП на АДФ

В заключительной реакции гликолиза задействованы коферменты – калий, магний и марганец, в качестве катализатора выступает фермент пируваткиназа.

Преобразование енольной формы пировиноградной кислоты  в кето-форму является обратимым процессом, и в клетках присутствуют оба изомера. Процесс перехода изометрических веществ из одного в другой называется таутомеризацией.