В этой статье мы подробно рассмотрим аэробный гликолиз, его процессы, разберем стадии и этапы. Ознакомимся с анаэробным узнаем об эволюционных видоизменениях данного процесса и определим его биологическое значение.

Что такое гликолиз

Гликолиз - это одна из трех форм окисления глюкозы, при котором сам процесс окисления сопровождается выделением энергии, которая запасается в НАДН и АТФ. В процессе гликолиза из молекулы две молекулы кислоты пировиноградной.

Гликолиз - это процесс, происходящий под воздействием различных биологических катализаторов - ферментов. Главным окислителем служит кислород - О 2 , однако процессы гликолиза могут протекать и в его отсутствие. Такой вид гликолиза называют - анаэробный гликолиз.

Процесс гликолиза при отсутствии кислорода

Анаэробный гликолиз - ступенчатый процесс окисления глюкозы, при котором глюкоза окисляется не полностью. Образуется одна молекула пировиноградной кислоты. А с энергетической точки зрения, гликолиз без участия кислорода (анаэробный) является менее выгодным. Однако при поступлении кислорода в клетку анаэробный процесс окисления может превращаться в аэробный и протекать в полноценной форме.

Механизмы гликолиза

Процесс гликолиза - это разложение шестиуглеродной глюкозы на пируват трехуглеродный в виде двух молекул. Сам процесс разделяется на 5 этапов подготовки и 5 этапов, при которых запасается энергия в АТФ.

Процесс гликолиза из 2 стадий и 10 этапов выглядят следующим образом:

• 1 стадия, этап 1 - фосфорилирование глюкозы. По шестому атому углерода в глюкозе, сам сахарид активируют через фосфорилирование.
• Этап 2 - изомеризация глюкозы-6-фосфата. На этом этапе фосфоглюкозоимераза каталитический обращает глюкозу во фруктозу-6-фосфат.
• Этап 3 - Фруктоза-6-фосфат и её фосфорилирование. Этот этап заключается в образовании фруктозо-1,6-дифосфата (альдолаза) путем воздействия фосфофруктокиназы-1, которая сопровождает фосфорильную группу от аденозинтрифосфорной кислоты к молекуле фруктозы.
• Этап 4 - это процесс расщепления альдолазы с образованием двух молекул триозофосфата, а именно эльдозы и кетозы.
• Этап 5 - триозофосфаты и их изомеризация. На этом этапе глицеральдегид-3-фосфат отправляется на последующие этапы расщепления глюкозы, а дигидроксиацетонфосфат переходит в форму глицеральдегид-3-фосфата под воздействием фермента.
• 2 стадия, этап 6 (1) - Глицеральдегид-3-фосфат и его окисление - этап в котором данная молекула окисляется и фосфорилируется до дифосфоглицерата-1,3.
• Этап 7 (2) - направлен на перенос группы фосфатов на АДФ с 1,3-дифосфоглицерата. Конечными продуктами данного этапа являются образование 3-фосфоглицерата и АТФ.
• Этап 8 (3) - переход от 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Этот процесс происходит под воздействием фермента фосфоглицератмутаза. Обязательным условием протекания химической реакции является наличие магния (Mg).
• Этап 9 (4) - 2 фосфоглицерта дегидратируется.
• Этап 10 (5) - в АДФ и ФЕП переносятся фосфаты, полученные в результате прохождения предыдущих этапов. Энергия с фосфоэнулпировата переносится на АДФ. Для протекания реакции необходимо наличие ионов калия (K) и магния (Mg).

Видоизмененные формы гликолиза

Процесс гликолиза способен сопровождаться дополнительной выработкой 1,3 и 2,3-бифосфоглицератов. 2,3-фосфоглицерат под влиянием биологических катализаторов способен возвращаться в гликолиз и переходить в форму 3-фосфоглицерата. Роль данных ферментов разнообразная, например, 2,3-бифосфоглицерат, находясь в гемоглобине, заставляет кислород переходить в ткани, способствуя диссоциации и понижая сродство О 2 и эритроцитов.

Многие бактерии изменяют формы гликолиза на различных этапах, сокращая их общее количество или видоизменяя их под воздействием разных ферментов. Небольшая часть анаэробов имеет другие методы углеводного разложения. Многие термофилы вовсе имеют лишь 2 фермента гликолиза, это енолаза и пируваткиназа.

Гликоген и крахмал, дисахариды и другие виды моносахаридов

Аэробный гликолиз - это процесс, свойственный и другим видам углеводов, а конкретно он присущ крахмалу, гликогену, большинству дисахаридов (маноза, галактоза, фруктоза, сахароза и другие). Функции всех видов углеводов в целом направлены на получение энергии, но могут различаться спецификой своего назначения, использования и т. д. Например, гликоген поддается гликогенезу, что по сути, является фосфолитическим механизмом, нацеленным на получение энергии при расщеплении гликогена. Сам же гликоген может запасаться в организме как резервный источник энергии. Так, например, глюкоза, получаемая во время приёма пищи, но не усвоившаяся мозгом, накапливается в печени и будет использована при недостатке глюкозы в организме с целью защитить индивид от серьезных сбоев гомеостаза.

Значение гликолиза

Гликолиз - это уникальный, однако не единственный вид окисления глюкозы в организме, клетке как прокариотов, так и эукариотов. Ферменты гликолиза являются водорастворимыми. Реакция гликолиза в некоторых тканях и клетках может происходить только таким образом, например, в мозгу и клетках нефронов печени. Другие способы окисления глюкозы в этих органах не используются. Однако не везде функции гликолиза одинаковы. Например, жировые ткани и печени в процессе пищеварения добывают необходимые субстраты из глюкозы для синтеза жиров. Многие растения используют гликолиз как способ добычи основной части энергии.

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.

Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях , при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.

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 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 – , 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.

Гликолиз – (от. греч. glycys - сладкий и lysis - растворение, распад) – бескислородный распад, в ходе которого синтезируются две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Конечными продуктами гликолиза являются пируват и NADH. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами.

Первой реакцией является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой и считается практически необратимой:

Второй реакций гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат. Реакция легко протекает в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов:

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы. Реакция обратима.

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бифосфогли­цериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН). Реакция протекает в несколько этапов:

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосоглицериновая кислота превращается в 2-фосфо­глицериновую кислоту (2-фосфоглицерат). Реакция легко обратима, протекает в присутствии ионов Mg 2+ .

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg 2+ или Mn 2+ и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируватканизы необходимы ионы Mg 2+ , а также одновалентные катионы щелочных металлов (К + или др.) Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

Последовательность реакций, протекающих при гликолизе, показана на рис. 26.

Рис. 26. Последовательность реакций гликолиза

1 - гексокиназа, 2 - фосфоглюкоизомераза, 3 - фосфофруктокиназа, 4 - альдолаза,
5 - триозофосфоизомераза, 6 - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа,
7 - фосфоглицераткиназа, 8 - фосфоглицератмутаза, 9 - енолаза, 10 - пируваткиназа,
11 - лактатдегидрогеназа

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфатных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуется 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Если гликолиз протекает в аэробных условиях, пируват и НАДН поступают в митохондрии, где пируват окисляется до СО 2 и Н 2 О, а НАДН в НАД.

При анаэробном гликолизе происходит образование молочной кислоты из пирувата. Анаэробный гликолиз происходит в мышцах в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах, в которых нет митохондрий, а также в различных органах и тканях при недостаточном снабжении их кислородом.

У многих микроорганизмов, растущих в анаэробных условиях, гликолиз является основным катаболитическим путем, предназначенным для извлечения пирувата из углеводных субстратов; дальнейшее превращение пирувата приводит к образованию определенных конечных продуктов метаболизма – продуктов брожения. Химическая природа этих продуктов зависит от вида микроорганизма и условий протекания процесса, в которых один и тот же микроорганизм осуществляет брожение.

Основными типами брожений являются спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др.

Напишите схемы основных реакций гликолитического ресинтеза АТФ. Охарактеризуйте этот процесс по кинетическим показателям (быстроте развития, метаболитической мощности, емкости и эффективности). В каких видах спорта и почему при выполнении соревновательных нагрузок этот процесс является основным в энергообеспечении мышечной деятельности

Гликолиз - это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом освобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в организме животных, растений и многих бактерий, поставляющий энергию.

При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза - пировиноградная кислота окисляется до СО2 Н2О в цикле трикарбоновых кислот. Реакция это цикла осуществляется в митохондриях при участии кислорода. Эти реакции катализируются группой из одиннадцати ферментов. Гликолиз протекает в две стадии.

Первая стадия - подготовительная, или собирательная этой стадии различные гексозы вовлекаются в гликолиз. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счет АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.

Вторая стадия - окислительная. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват) или молочной кислоты (лактат). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАДН .

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - сложное органическое соединение, состоящее из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Первый остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому углеродному атому рибозы обычной эфирной связью, два другие соединяются между собой посредством богатой энергией пирофосфатной связи:

Гидролиз каждой пирофосфатной связи АТФ сопровождается выделением 6-8 ккал энергии на 1 грамм-молекулу.

В связи с тем, что в процессе жизнедеятельности АТФ постоянно расходуется, обязательным условием жизни является возобновление запасов АТФ в организме.

Реакция расщепления аденозинтрифосфата (АТФ + Н2О > АДФ + Н3РО4 + 8 ккал) по термодинамическим условиям не может быть обратимой, так как присоединение ортофосфата к АДФ требует поглощения 8 ккал на каждую грамм-молекулу. Энергия же, освобождающаяся при расщеплении АТФ, трансформируясь в другие виды энергии, безвозвратно теряется.

Ресинтез АТФ в организме может происходить в реакциях следующих четырех типов:

1) окислительное фосфорилирование на уровне субстрата;

2) окислительное фосфорилирование на уровне транспорта электронов;

3) дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты;

4) разрыв связей С-С, С-S и С-N.

Креатинкиназная реакция протекает чрезвычайно быстро Она характерна для кратковременных интенсивных физических нагрузок. Запасы креатинфосфата в мышцах ограничены, и поэтому такой путь ресинтеза АТФ может осуществляться очень недолгое время.

Ресинтез АТФ за счет АДФ (миокиназная или аденилаткиназная реакция) осуществляется путем взаимодействия двух молекул АДФ, одна из которых при участии фермента миокиназы передает свою концевую фосфатную группу другой молекуле, превращаясь в АМФ.

Ресинтез АТФ за счет макроэргических фосфорных соединений, образующихся в процессе мышечной деятельности, также может осуществляться двумя путями - путем гликолитического фосфорилирования и путем дыхательного фосфорилирования.

При гликолитическом фосфорилировании имеет место только субстратное фосфорилирование; в процессе анаэробного окисления глюкозы образуются макроэргические соединения дифосфоглицериновая и фосфоэнолпировиноградная кислоты, которые вступают в реакцию перефосфорилирования с АДФ.

Гликолитическое фосфорилирование подобно креатинкиназной и миокиназной реакциям, является анаэробным путем ресинтеза АТФ. Этот путь имеет преимущество перед другими, заключающееся в том, что углеводные запасы организма достаточно велики и, следовательно, гликолиз может обеспечивать ресинтез АТФ относительно долгое время. Ресинтез АТФ гликолитическим фосфорилированием является преобладающим при спортивных упражнениях максимальной интенсивности (например, бег на 100, 200, 400, 800 м), когда имеет место резкое несоответствие между сильно возросшей потребностью организма в кислороде и ограниченными возможностями ее удовлетворения.

Однако гликолиз имеет и недостатки, заключающиеся в его малой энергетической эффективности и в том, что неполное окисление глюкозы приводит к накоплению в организме недоокисленных продуктов кислотного характера - молочной и пировиноградной кислот.

Следовательно, для ресинтеза одного и того же количества АТФ при гликолизе следует затратить 1 г глюкозы, а при аэробном окислении - только около 0,08 г глюкозы или около 0,03 г жирных кислот .

Каков бы ни был характер и какова бы ни была длительность работы, источником энергии мышечных сокращений всегда является расщепление АТФ. Однако пути ресинтеза ее в промежутках между сокращениями, а следовательно, и источники энергии мышечной деятельности при работе разного характера и разной длительности различный.

Если работа совершается с максимальной интенсивностью и длится короткое время, то поглощение кислорода не успевает во время работы достигнуть максимальной величины. При этом потребность в кислороде так велика, что даже и максимально возможное поглощение кислорода не могло бы удовлетворить ее. Так, во время бега на 100 м спортсмен поглощает только 5-10% нужного ему кислорода. Остальные же 90-95% поглощаются после финиша, в периоде отдыха, образуя кислородную задолженность, или кислородный долг, а при марафонском беге потребляется 90% всего нужного организму кислорода, а кислородный долг составляет всего около 10%.

Естественно, что при резком несоответствии между потребностью организма в кислороде и фактической возможностью ее удовлетворения активируются анаэробные пути ресинтеза АТФ.

В первые секунды работы ресинтез АТФ происходит за счет креатинфосфата. Снижение содержания АТФ при высоком уровне креатинфосфата в мышечной клетке сразу же обращает креатинфосфокиназную реакцию в сторону переноса макроэргической фосфатной группы с креатинфосфата на АДФ. Поэтому такие упражнения, как бег на короткие отрезки 100-метровой дистанции, прыжок с места, одноразовый подъем штанги или выполнение какого-либо гимнастического элемента, могут не сопровождаться сколько-нибудь заметным повышением уровня молочной кислоты в крови, несмотря на то, что потребность организма в кислороде во время их выполнения удовлетворяется всего на 5-7%. Это говорит о том, что ресинтез АТФ в этих случаях происходит почти исключительно за счет креатинфосфата. При более длительной интенсивной работе все в большей степени используется гликолиз. Интенсивная работа длительностью более 5-10 сек. всегда сопровождается повышением содержания молочной кислоты в крови, образующейся в мышцах в результате быстро протекающего процесса гликолиза. Набольших величин оно достигает при выполнении упражнений максимальной и субмаксимальной интенсивности (например, при беге на 100, 200 и 400 м). Причем повышение уровня молочной кислоты тем больше, чем больше длительность работы.

При выполнении упражнений средней и умеренной интенсивности, небольшой длительности ресинтез АТФ за счет креатинфосфата и гликолиза имеет место лишь в начале работы, затем постепенно сменяется дыхательным фосфорилированием. Содержание молочной кислоты в крови, повысившееся в начале работы, по мере ее продолжения постепенно снижается, а к концу работы может достигать даже нормального уровня, так как молочная кислота в процессе работы подвергается аэробному окислению до углекислоты и воды, а частично используется для ресинтеза углеводов (гликогена). Это наблюдается, например, во время лыжных гонок, различных кроссов, марафонского бега и т. д.

Если по ходу длительных упражнений средней или умеренной интенсивности мощность работы увеличивается (например, ускорения во время бега или при финишировании), то увеличивается и содержание молочной кислоты в крови, т. е. усиливается гликолиз.

Таким образом, в начале всякой работы (а при работе максимальной и субмаксимальной интенсивности на всем ее протяжении) ресинтез АТФ осуществляется анаэробным путем - сначала за счет креатинфосфата, а затем за счет гликолиза; по мере же продолжения работы гликолиз постепенно сменяется дыхательным фосфорилировнием. При этом в зависимости от интенсивности работы может наблюдаться то или иное соотношение гликолитического и дыхательного фосфорилирования Гликолиз максимально преобладает при беге на 400 и 800 м, когда фактическое потребление кислорода еще далеко от удовлетворения потребности в нем, а сравнительно малых количеств креатинфосфата в мышцах недостаточно для обеспечения ресинтеза АТФ в течение 2-3 мин. работы. Далее интенсивность гликолиза снижается, все более уступая место аэробному окислению .

Каков же непосредственный химизм усиления гликолиза и дыхательного фосфорилирования при мышечной деятельности? Фактором, активирующим процессы, связанные с фосфорилированием, является наличие фосфатных акцепторов (т. е. веществ, способных воспринимать макроэргические фосфатные группы). К таким веществам относятся аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) и креатин. Увеличение содержания этих веществ в мышцах приводит прежде всего к усилению расщепления углеводов, которое идет по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты. Оно обеспечивает ресинтез лишь части АТФ вследствие своей малой эффективности в энергетическом отношении. После окончания работы, характеризующейся гликолитическим ресинтезом АТФ, содержание последней в мышцах по сравнению с состоянием покоя оказывается значительно сниженным (на 30-40%), а содержание АДФ, АМФ и креатина - повышенным .

Дальнейшего увеличения концентрации молочной кислоты не происходит, так как активная реакция внутренней среды (рН) смещается в кислую сторону, происходит торможение активности гликолитических ферментов, что снижает скорость образования АТФ. Уменьшение рН приводит также к нарушению деятельности нервных клеток и развитию в них охранительного торможения и ухудшению передачи возбуждения с нерва на мышцу.

Этот момент следует рассмотреть более подробно. После того, как запасы КрФ в мышцах начинают исчерпываться, и скорость креатинфосфатной реакции начинает уменьшаться, к процессу ресинтеза АТФ все больше подключается гликолиз. Наибольшая мощность энергообразования в процессе анаэробного гликолиза достигается в упражнениях с предельной продолжительностью от 20 до 40-45 секунд, затем, в результате накопления молочной кислоты и снижения внутриклеточного рН, происходит снижение скорости гликолиза, поэтому, после достижения наибольшей мощности к 40-45 секунде, следует период удержания мощности до 60-65 секунды. К 60-65 секунде работы предельной продолжительности в мышцах накапливается максимальное количество молочной кислоты. Максимум молочной кислоты, который может не причинить вреда организму тренированного человека, составляет 2-2,5 г/л в крови, и несколько больше в мышцах. После достижения максимальных величин накопления молочной кислоты в работающих мышцах, мощность гликолиза начинает снижаться и ко 2-3 минуте работы роль основного поставщика энергии принимает на себя аэробный процесс, осуществляющийся в митохондриях.

Резюмируя всю вышеизложенную информацию, можно сделать вывод, что наибольшее расщепление белковых структур происходит при выполнении работы максимальной продолжительности от 40 секунд до 65 секунд .

водный баланс организм фермент

Гликолиз (от греч. glycus - сладкий и lysis - растворение, распад) - сложный ферментативный процесс превращения глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется также АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:

В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря процессу гликолиза организм человека и животных определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе. (В аэробных условиях гликолиз можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого процесса - углекислоты и воды. )

Впервые термин «гликолиз» применил Лепин в 1890 г. для обозначения процесса убыли глюкозы в крови, изъятой из кровеносной системы, т. е. in vitro.

У ряда микроорганизмов процессами, аналогичными гликолизу, являются различные виды брожения .

Последовательность реакций гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно изучены. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме клетки. В табл. 27 приведены данные относительно скорости анаэробного гликолиза в различных тканях крысы.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т. е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции связано с освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и др.

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента гексозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях и не нуждается в присутствии каких-либо кофакторов.

В третьей реакции образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает она в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АДФ и АМФ. (Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз. В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом. ). При значительных величинах отношения АТФ/АДФ (что достигается в процессе окислительного фосфорилирования) активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. В целом же при повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция - реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется эта реакция ферментом триозофосфатизомеразой:

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. Однако в последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия - наиболее сложная и важная часть гликолиза. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (гликолитическую оксидоредукцию), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида ), кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН 2). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает она в несколько этапов. Суммарно данную реакцию можно изобразить в следующем виде:

1,3-Дифосфоглицериновая кислота представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН 2 глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата. При этом образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота.

В седьмой реакции, которая катализируется фосфоглицераткиназой, происходит передача богатой энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ.

В восьмой реакции происходит внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg 2+ . Кофактором фермента является также 2,3-дифосфоглицериновая кислота, аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполнялась глюкозо-1,6-дифосфатом:

В девятой реакции 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). При этом фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Реакция катализируется ферментом енолазой:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg 2+ или Мn 2+ и ингибируется фторидом.

В десятой реакции происходят разрыв высокоэргической связи и перенос фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ. Катализируется эта реакция ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы Mg 2+ или Мn 2+ , а также одновалентные катионы щелочных металлов (К + или другие). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В одиннадцатой реакции в результате восстановления пировиноградной кислоты образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН 2+ :

В целом последовательность протекающих при гликолизе реакций может быть представлена в следующем виде (рис. 84).

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. При этом НАД здесь играет роль лишь промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция) на пировиноградную кислоту (одиннадцатая реакция). Ниже схематично изображена реакция гликолитической оксидоредукции, а также указаны этапы, на которых происходит образование АТФ (рис. 85).

Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. В первой стадии гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). Во второй стадии образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:

Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливаются в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ. Концевая макроэргическая связь в молекуле АТФ соответствует примерно 33,6-42,0 кДж/моль. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного гликолиза составляет около 0,4.

Величины изменения свободной энергии точно определены для отдельных реакций гликолиза в интактных эритроцитах человека. Установлено, что восемь реакций гликолиза близки к равновесию, а три реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) далеки от него, поскольку они сопровождаются значительным уменьшением свободной энергии, т. е. практически являются необратимыми.

Как уже отмечалось, основной лимитирующей скорость гликолиза реакцией является реакция, катализируемая фосфофруктокиназой. Вторым этапом, лимитирующим скорость и регулирующим гликолиз, служит гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и ее изоферментами. В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ 1 и ЛДГ 2 . Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени зависящих от энергии, образующейся в процессе гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ 5 и ЛДГ 4 . Активность ЛДГ 5 максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ 1 . Преобладание изоферментов ЛДГ 4 и ЛДГ 5 обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.

Включение других углеводов в процесс гликолиза

Эффект Пастера

Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лактата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных исследований, касающихся роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано, что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях, где O 2 тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера, т. е. перехода в присутствии O 2 от анаэробного гликолиза или брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на более экономный путь получения энергии. В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии O 2 снижается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-видимому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения) за аденозиндифосфат (АДФ), используемый для образования аденозинтрифосфата (АТФ). Как мы уже знаем, в аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление Ф н и АДФ, генерация АТФ, а также удаление восстановленного НАД (НАДН 2). Иными словами, уменьшение в присутствии кислорода количества Ф н и АДФ и соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.

Гликогенолиз

Процесс анаэробного распада гликогена получил название гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии трех ферментов - гликогенфосфорилазы,(или фосфорилазы «а»), амило-1,6-глюкозидазы и фосфоглюкомутазы.

Образовавшийся в ходе фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы АТФ (не тратится АТФ на образование глюкозо-6-фосфата). На первый взгляд, энергетически эффективность гликогенолиза может считаться несколько более высокой по сравнению с процессом гликолиза. Однако надо иметь в виду, что в процессе синтеза гликогена в тканях расходуется АТФ, поэтому в энергетическом плане гликогенолиз и гликолиз практически равноценны.