Гликолиз представляет собой последовательность ферментативных реакций, в ходе которых молекула глюкозы преобразуется в две молекулы пирувата с получением энергии в виде АТФ и восстановленных коферментов НАДН. Этот путь является универсальным для большинства клеток, функционируя как аэробно, так и анаэробно. Гликолиз протекает в цитоплазме, не требуя присутствия митохондрий, что обеспечивает его критическую роль в энергетическом обмене клеток.
1. Фосфорилирование глюкозы Глюкоза активируется ферментом гексокиназой, превращаясь в глюкозо-6-фосфат. Эта реакция требует потребления одной молекулы АТФ. Фосфорилирование предотвращает выход глюкозы из клетки и подготавливает её к дальнейшему метаболизму.
2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата Фермент фосфоглюкозоизомераза превращает глюкозо-6-фосфат в фруктозо-6-фосфат, что создаёт необходимую структуру для последующего фосфорилирования.
3. Второе фосфорилирование (ключевой контрольный этап) Фермент фосфофруктокиназа-1 (PFK-1) катализирует превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат с потреблением АТФ. Эта стадия является ключевым контрольным пунктом гликолиза и чувствительна к уровню АТФ, цитрату и фруктозо-2,6-бисфосфата.
4. Расщепление шестичленного сахара Фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется ферментом альдолазой на две трёхуглеродные молекулы: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Изомеризация дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат под действием трифосфатизомеразы обеспечивает единую цепь последующих реакций.
1. Окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата Фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует превращение глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат с восстановлением НАД⁺ до НАДН. Этот этап обеспечивает перенос электронов и образует высокоэнергетический промежуточный продукт.
2. Субстратное фосфорилирование 1,3-Бисфосфоглицерат передаёт фосфат на АДФ с образованием АТФ под действием фосфоглицераткиназы. Данная реакция демонстрирует принцип субстратного фосфорилирования.
3. Превращение фосфоглицерата Ферменты фосфоглицератмутаза и энолаза обеспечивают преобразование 3-фосфоглицерата в фосфоенолпируват, формируя макроэргическую связь для последующего синтеза АТФ.
4. Финальная стадия — образование пирувата Фермент пируваткиназа катализирует перенос фосфатной группы на АДФ с образованием второй молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы. Пируват, получаемый в этой реакции, является ключевым метаболитом, способным входить в цикл трикарбоновых кислот или участвовать в анаэробном восстановлении до лактата.
Регуляция гликолиза осуществляется как аллохимическим контролем, так и ковалентными модификациями ферментов.
Ключевые контрольные точки:
Гликолиз тесно связан с другими путями метаболизма:
Регуляторные механизмы позволяют клетке адаптировать скорость гликолиза к энергетическим потребностям, доступности субстратов и состоянию цитоплазматического и митохондриального краснооксидного баланса.
При недостатке кислорода пируват превращается в лактат под действием лактатдегидрогеназы, обеспечивая непрерывное восстановление НАД⁺ для поддержания гликолитической активности. В растительных клетках и микроорганизмах возможна ферментация этанола через промежуточное образование ацетальдегида.
Гликолиз является центральным узлом метаболизма, обеспечивающим не только энергию, но и промежуточные соединения для синтеза аминокислот, нуклеотидов и липидов. Его регуляция обеспечивает баланс между анаэробным и аэробным путями, а также интеграцию с другими метаболическими потоками клетки.