ГЛИКО́ЛИЗ

ГЛИКО́ЛИЗ (от греч. γλυϰύς – слад­кий и ...лиз), фер­мен­та­тив­ный про­цесс ана­эроб­но­го (про­те­каю­ще­го без уча­стия ки­сло­ро­да) рас­ще­п­ле­ния глю­ко­зы, со­про­во­ж­даю­щий­ся на­ко­п­ле­ни­ем энер­гии, за­па­сае­мой в ви­де аде­но­зин­три­фос­фа­та (АТФ). Ши­ро­ко рас­про­стра­нён в при­ро­де, иг­ра­ет важ­ную роль в ме­та­бо­лиз­ме жи­вых ор­га­низ­мов. Г. ле­жит в ос­но­ве разл. ви­дов бро­же­ния. У об­ли­гат­ных ана­эроб­ных мик­ро­ор­га­низ­мов, а так­же в не­ко­то­рых клет­ках жи­вот­ных и че­ло­ве­ка (напр., зре­лые эрит­ро­ци­ты мле­ко­пи­таю­щих) Г. – един­ст­вен­ный про­цесс, по­став­ляю­щий энер­гию. В аэроб­ных ус­ло­ви­ях у боль­шин­ст­ва ор­га­низ­мов Г. пред­ше­ст­ву­ет окис­ли­тель­но­му рас­па­ду ор­га­нич. со­еди­не­ний до СО₂ и Н₂О. У выс­ших жи­вот­ных Г. ин­тен­сив­но про­те­ка­ет в ске­лет­ных мыш­цах, пе­че­ни, серд­це, эрит­ро­ци­тах, спер­ма­то­зои­дах, бы­ст­ро де­ля­щих­ся (в т. ч. опу­хо­ле­вых) клет­ках. Фер­мен­ты Г. ло­ка­ли­зо­ва­ны в рас­тво­ри­мой час­ти ци­то­плаз­мы кле­ток.

Пол­ная де­таль­ная рас­шиф­ров­ка отд. ре­ак­ций Г. бы­ла осу­ще­ст­в­ле­на гл. обр. бла­го­да­ря ра­бо­там немецких био­хи­ми­ков Г. Эм­бде­на, О. Мей­ер­го­фа, О. Вар­бур­га, К. Ной­бер­га, а так­же Я. О. Пар­на­са и К. Ко­ри (1930–37). Ино­гда Г. на­зы­ва­ют «пу­тём Эм­бде­на – Мей­ер­го­фа – Пар­на­са».

Ус­лов­но в про­цес­се Г. вы­де­ля­ют две ста­дии. На пер­вой (под­го­то­ви­тель­ной) сна­ча­ла про­ис­хо­дит фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние глю­ко­зы (ре­ак­ция 1), ка­та­ли­зи­руе­мое фер­мен­том гек­со­ки­на­зой (ино­гда глю­ко­ки­на­зой) и тре­бую­щее за­тра­ты энер­гии мо­ле­ку­лы АТФ (см. схе­му). Об­ра­зо­вав­ший­ся глю­ко­зо-6-фос­фат при уча­стии фер­мен­та фос­фог­лю­кои­зо­ме­ра­зы пре­вра­ща­ет­ся (2) во фрук­то­зо-6-фос­фат, ко­то­рый в свою оче­редь фос­фо­ри­ли­ру­ет­ся (для это­го тре­бу­ет­ся ещё од­на мо­ле­ку­ла АТФ) с по­мо­щью фос­фоф­рук­то­ки­на­зы-1 (3) с об­ра­зо­ва­ни­ем фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фа­та. По­след­ний с по­мо­щью фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фа­таль­до­ла­зы (4) рас­ще­п­ля­ет­ся до двух фос­фот­ри­оз: гли­це­р­аль­де­гид-3-фос­фа­та и ди­гид­рок­си­аце­тон­фос­фа­та. По­след­ний лег­ко изо­ме­ризу­ет­ся под дей­ст­ви­ем трио­зо­фос­фа­тизоме­ра­зы в гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат (5). В даль­ней­шем ис­поль­зу­ет­ся толь­ко пер­вое со­еди­не­ние. Т. о., из од­ной мо­ле­ку­лы глю­ко­зы на пер­вой ста­дии Г. об­ра­зу­ют­ся две мо­ле­ку­лы гли­це­раль­де­гид-3-фос­фа­та и при этом ис­поль­зу­ет­ся энер­гия двух мо­ле­кул АТФ. На вто­рой – осн. ста­дии Г. – гли­цер­аль­де­гид-3-фос­фат пре­тер­пе­ва­ет се­рию по­сле­до­ва­тель­ных пре­вра­ще­ний, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­му­ла – пи­ру­ват) и вы­деле­нию энер­гии, ак­ку­му­ли­ру­емой в ви­де АТФ. Сна­ча­ла при уча­стии фер­мен­та гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназы (6), в при­сут­ст­вии ко­фер­мен­та ни­ко­ти­н­ами­да­де­нин­ди­нук­ле­о­ти­да (НАД), ко­то­рый уча­ст­ву­ет в окис­ле­нии аль­де­гид­ной груп­пы, пе­ре­хо­дя при этом в вос­ста­нов­лен­ную фор­му (НАДН), и не­ор­га­ни­че­ско­го фос­фа­та (Ф_н) про­ис­хо­дит пре­вра­ще­ние гли­це­раль­де­гид-3-фос­фа­та в вы­со­ко­энер­ге­ти­че­ское со­еди­не­ние – 1,3-ди-фос­фог­ли­це­рат. За­тем в ре­ак­ции т. н. суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния, ко­то­рую осу­ще­ст­в­ля­ет фер­мент фос­фог­ли­це­рат­ки­на­за (7), про­ис­хо­дит пе­ре­нос фос­фо­риль­ной груп­пы с 1,3-ди­фос­фо­гли­це­ра­та на аде­но­зин­ди­фос­фат (АДФ) с об­ра­зо­ва­ни­ем АТФ. Дру­гой про­дукт этой ре­ак­ции – 3-фос­фог­ли­це­рат при уча­стии фер­мен­та фос­фог­ли­це­рат­му­та­зы (8) под­вер­га­ет­ся изо­ме­ри­за­ции в 2-фос­фог­ли­це­рат. По­сле это­го в ре­зуль­та­те реакции от­ще­п­ле­ния мо­ле­ку­лы во­ды, ко­то­рую осу­ще­ст­в­ля­ет фер­мент ено­ла­за (9), про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние фос­фо­енол­пи­ру­ва­та и в про­цес­се ещё од­ной ре­ак­ции суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния, ко­то­рую ка­та­ли­зи­ру­ет фер­мент пи­ру­ват­ки­на­за (10), фос­фо­риль­ная груп­па фос­фое­нол­пи­ру­ва­та пе­ре­но­сит­ся на АДФ с об­ра­зо­ва­ни­ем оче­ред­ной мо­ле­ку­лы АТФ. Сле­до­ва­тель­но, за вы­че­том за­тра­чен­ных на под­го­то­ви­тель­ной ста­дии двух мо­ле­кул АТФ в ко­неч­ном ито­ге при рас­па­де глю­ко­зы об­ра­зу­ют­ся две мо­ле­ку­лы АТФ.

Схема гликолиза.

Даль­ней­шая судь­ба об­ра­зо­вав­ше­го­ся пи­ру­ва­та и НАДН оп­ре­де­ля­ет­ся осо­бен­но­стя­ми ме­та­бо­лиз­ма кон­крет­ных ти­пов кле­ток и их обес­пе­чен­но­стью ки­сло­ро­дом. В аэроб­ных ус­ло­ви­ях пи­ру­ват и вос­ста­нов­лен­ные эк­ви­ва­лен­ты от НАДН (гид­рид-ион) по­сту­па­ют в ми­то­хон­д­рии, где про­ис­хо­дит пре­вра­ще­ние пи­ру­ва­та в аце­тил-КоА (см. Ко­фер­мен­т А), ко­то­рый по­сту­па­ет в три­кар­бо­но­вых ки­слот цикл. В от­сут­ст­вии ки­сло­ро­да НАДН ис­поль­зу­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние пи­ру­ва­та в лак­тат (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­ма мо­лоч­ной ки­сло­ты). Это не­об­хо­ди­мо для по­лу­че­ния НАД, без ко­то­ро­го не­воз­мож­но про­те­ка­ние гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназной ре­ак­ции, а зна­чит и все­го Г. В мо­лоч­но­кис­лых бак­те­ри­ях, а так­же в бе­лых мыш­цах (обед­нён­ных ми­то­хон­д­рия­ми по срав­не­нию с крас­ны­ми мыш­ца­ми) лак­тат яв­ля­ет­ся ко­неч­ным про­дук­том Г. У дрож­жей пи­ру­ват пре­вра­ща­ет­ся в эта­нол (спир­то­вое бро­же­ние). Др. гек­со­зы (га­лак­то­за, ман­но­за, фрук­то­за), пен­то­зы и гли­це­рин мо­гут вклю­чать­ся в Г. на раз­ных его ста­ди­ях (напр., ста­дии 2, 3, 5). По­став­щи­ком ос­тат­ков глю­ко­зы для нужд Г. у жи­вот­ных мо­жет так­же слу­жить гли­ко­ген (в этом слу­чае про­цесс на­зы­ва­ют гли­ко­ге­но­ли­зом, он наи­бо­лее ин­тен­сив­но про­те­ка­ет в мыш­цах), а у рас­те­ний – крах­мал, ос­тат­ки глю­ко­зы ко­то­рых во­вле­ка­ют­ся в Г. бла­го­да­ря дей­ст­вию фер­мен­тов, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию сна­ча­ла глю­ко­зо-1-фос­фа­та, а за­тем глю­ко­зо-6-фос­фа­та. В при­сут­ст­вии ки­сло­ро­да ско­рость Г. сни­жа­ет­ся в свя­зи с на­ча­лом про­цес­са ды­ха­ния (эф­фект Пас­те­ра), ко­то­рое обес­пе­чи­ва­ет бо­лее эф­фек­тив­ный ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния бо­га­тых энер­ги­ей свя­зей. В опу­хо­ле­вых клет­ках, безъ­я­дер­ных эрит­ро­ци­тах, эм­брио­наль­ных и не­ко­то­рых дру­гих тка­нях эф­фект Па­сте­ра ос­лаб­лен или от­сут­ству­ет вов­се (т. н. аэроб­ный Г.).

Все ре­ак­ции Г., за ис­клю­че­ни­ем 1, 3 и 10-й, об­ра­ти­мы. Фер­мен­ты, ка­та­ли­зи­рую­щие эти три ре­ак­ции, яв­ля­ют­ся объ­ек­та­ми слож­ной ре­гу­ля­ции. Ско­рость Г. ли­ми­ти­ру­ет фос­фоф­рук­то­ки­на­за-1. Этот фер­мент ак­ти­ви­ру­ют фрук­то­зо-2,6-ди­фос­фат, АДФ и аде­но­зин­мо­но­фос­фат (АМФ), а ин­ги­би­ру­ют АТФ и цит­рат (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­ма ли­мон­ной ки­сло­ты). АТФ по­дав­ля­ет так­же ак­тив­ность гек­со­ки­на­зы и пи­ру­ват­ки­на­зы. Об­ра­зо­ва­ние мощ­но­го ак­ти­ва­то­ра Г. – фрук­то­зо-2,6-ди­фос­фа­та – из фрук­то­зо-6-фос­фа­та осу­ще­ст­в­ля­ет осо­бый фер­мент фос­фоф­рук­то­ки­на­за-2. Гор­мо­ны ад­ре­на­лин и глю­ка­гон че­рез сис­те­му внут­ри­кле­точ­ной сиг­на­ли­за­ции, вклю­чаю­щую об­ра­зо­ва­ние цик­ли­че­ско­го 3’,5’-аде­но­зин­мо­но­фос­фа­та (цАМФ) и ак­ти­ва­цию фер­мен­та про­те­ин­ки­на­зы, вы­зы­ва­ют фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние и инак­ти­ва­цию пи­ру­ват­ки­на­зы в пе­че­ни, но не в мыш­цах. Та­кая тка­нес­пе­ци­фич­ная ре­гу­ля­ция не­об­хо­ди­ма для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния глю­ко­не­о­ге­не­за в пе­че­ни.

Ус­та­нов­ле­но, что не­ко­то­рым фер­мен­там Г. свой­ст­вен ряд функ­ций, не свя­зан­ных с этим про­цес­сом. Напр., гли­цер­аль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназа мо­жет пе­ре­но­сить­ся в яд­ро и уча­ст­во­вать в ин­дук­ции апоп­то­за, ак­ти­ви­руя про­цес­сы транс­крип­ции.