Гликолиз представляет собой центральный метаболический путь
катаболизма углеводов, в ходе которого одна молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆)
последовательно превращается в две молекулы пирувата (C₃H₄O₃) с
образованием энергии в виде АТФ и восстановленных коферментов NADH. Этот
путь является универсальным для большинства эукариотических и
прокариотических клеток и протекает в цитоплазме.
Гликолиз делится на две функциональные фазы:
1. Энергетическая фаза (инвестиционная)
- Фосфорилирование глюкозы – начальный этап,
катализируемый гексокиназой, сопровождается потреблением одной молекулы
АТФ. Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат.
- Изомеризация – глюкозо-6-фосфат превращается в
фруктозо-6-фосфат под действием фосфоглюкозоизомеразы.
- Второе фосфорилирование – фруктозо-6-фосфат
фосфорилируется до фруктозо-1,6-бисфосфата при участии
фосфофруктокиназы-1 (PFK-1), что требует второй молекулы АТФ.
- Расщепление – фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется
альдолазой на две трёхуглеродные фосфатированные молекулы:
диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Диоксиацетонфосфат далее
изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат, что обеспечивает дальнейшее
превращение двух идентичных молекул.
2. Энергетическая фаза (выходная)
- Окислительное фосфорилирование трёхуглеродных
соединений – глицеральдегид-3-фосфат окисляется до
1,3-бисфосфоглицерата с восстановлением NAD⁺ до NADH.
- Субстратное фосфорилирование – 1,3-бисфосфоглицерат
преобразуется в 3-фосфоглицерат с синтезом АТФ.
- Изомеризация и дегидратация – 3-фосфоглицерат
превращается в 2-фосфоглицерат, затем в фосфоенолпируват (ФЕП) с
выделением воды.
- Второе субстратное фосфорилирование – ФЕП
превращается в пируват при участии пируваткиназы, сопровождаясь
образованием АТФ.
Энергетический баланс
гликолиза
На одну молекулу глюкозы:
- Расход АТФ: 2 молекулы (на этапе фосфорилирования глюкозы и
фруктозо-6-фосфата).
- Синтез АТФ: 4 молекулы (2 на каждом этапе субстратного
фосфорилирования).
- Чистый прирост АТФ: 2 молекулы.
- Образование NADH: 2 молекулы.
Регуляция гликолиза
Гликолиз регулируется на ключевых, необратимых стадиях:
1. Гексокиназа/глюкокиназа
- Гексокиназа ингибируется продуктом реакции (глюкозо-6-фосфат).
- Глюкокиназа (печёночный изофермент) активируется при высоких
концентрациях глюкозы, обеспечивая её накопление в печени.
2. Фосфофруктокиназа-1 (PFK-1)
- Основной контрольный фермент гликолиза.
- Активаторы: АДФ, АМФ, фруктозо-2,6-бисфосфат.
- Ингибиторы: АТФ, цитрат.
- Регуляция обеспечивает синхронизацию энергетических потребностей
клетки с катаболизмом глюкозы.
3. Пируваткиназа
- Активируется фруктозо-1,6-бисфосфатом (положительная обратная
связь).
- Ингибируется АТФ и ацетил-КоА, отражая энергетический статус
клетки.
Адаптация
гликолиза к условиям анаэробного и аэробного дыхания
- Аэробные условия: пируват направляется в
митохондрии для окислительного декарбоксилирования и последующего
участия в цикле Кребса, максимизируя выход энергии.
- Анаэробные условия: пируват восстанавливается до
лактата (у животных) или этанола и CO₂ (у дрожжей) для регенерации NAD⁺,
необходимого для продолжения гликолиза.
Взаимосвязь с
другими метаболическими путями
Гликолиз тесно интегрирован с:
- Глюконеогенезом – оборот гликолитических
промежуточных соединений для синтеза глюкозы.
- Пентозофосфатным путем – часть глюкозо-6-фосфата
может направляться на синтез NADPH и рибозы.
- Циклом Кребса и дыхательной цепью – пируват и NADH
служат источником субстратов для аэробного дыхания.
Гликолиз является фундаментальным механизмом получения энергии и
промежуточных метаболитов, регулируемым множественными контрольными
точками для поддержания энергетического и метаболического гомеостаза
клетки.