Что изучает биохимия? Гликолиз - это серьезный ферментативный процесс распада глюкозы, который протекает в тканях животных и человека без использования кислорода. Именно он рассматривается биохимиками как способ получения молочной кислоты и молекул АТФ.
Определение
Что собой представляет аэробный гликолиз? Биохимия рассматривает этот процесс в качестве единственного процесса, характерного для живых организмов, который поставляет энергию.
Именно помощью такого процесса организм животных и человека способен на протяжении определенного промежутка времени выполнять некоторые физиологически функции в условиях недостаточного количества кислорода.
Если процесс расщепления глюкозы осуществляется с участием кислорода, протекает аэробный гликолиз.
Какова его биохимия? Гликолиз считают первой стадией процесса окисления глюкозы до воды и углекислоты.
Страницы истории
Термин «гликолиз» был использован Лепиным в конце девятнадцатого века для процесса уменьшения глюкозы в крови, которая была изъята из кровеносной системы. У некоторых микроорганизмов протекают процессы брожения, которые аналогичны гликолизу. Для подобного превращения используется одиннадцать ферментов, причем большая их часть выделяется в гомогенном, высокоочищенном либо кристаллическом виде, их свойства хорошо изучены. Протекает данный процесс в гиалоплазме клетки.
Специфика процесса
Как протекает гликолиз? Биохимия – это наука, в которой данный процесс рассматривается как многостадийная реакция.
Первая ферментативная реакция гликолиза, фосфорилирование, связана с переносом на глюкозу молекулами АТФ ортофосфата. В качестве катализатора в этом процессе выступает фермент гексокиназа.
Получение глюкозо-6-фосфата в данном процессе объясняется высвобождением существенного количества энергии системы, то есть протекает необратимый химический процесс.
Такой фермент, как гексокиназа, выступает катализатором процесса фосфорилирования не только самой D-глюкозы, но и D-маннозы, D-фруктозы. Помимо гексокиназы, в печени есть еще один фермент – глюкокиназа, катализирующий процесс фосфорилирования одной D-глюкозы.
Второй этап
Как объясняет вторую стадию данного процесса современная биохимия? Гликолиз на этом этапе представляет собой переход глюкозо-6-фосфата под воздействием гексозофосфатизомеразы в новое вещество - фруктозо-6-фосфат.
Процесс протекает в двух взаимно обратных направлениях, не требует кофакторов.
Третья стадия
Она связана с фосфорилированием образующегося фруктозо-6-фосфата с помощью молекул АТФ. Ускорителем такого процесса является фермент фосфофруктокиназа. Реакция считается необратимой, она происходит в присутствии катионов магния, считается медленно протекающей стадией этого взаимодействия. Именно она является основой для определения скорости гликолиза.
Фосфофруктокиназа - это один из представителей аллостерических ферментов. Она ингибируется молекулами АТФ, стимулируют ее АМФ и АДФ. В случае диабета, во время голодания, а также во многих других состояниях, при которых в больших количествах расходуются жиры, содержание цитрата в клетках тканей возрастает в несколько раз. В подобных условиях наблюдается существенное торможение полноценной деятельности фосфофруктокиназы цитратом.
Если отношение АТФ к АДФ достигает существенных значений, происходит угнетение фосфофруктокиназы, что способствует замедлению гликолиза.
Как можно увеличить гликолиз? Биохимия предлагает для этого снижать коэффициент интенсивности. Например, в нефункционирующей мышце невысокая активность фосфофруктокиназы, а вот концентрация АТФ возрастает.
При работе мышцы наблюдается значительное использование АТФ, что вызывает повышение уровня фермента, вызывает ускорение процесса гликолиза.
Четвертый этап
Катализатором этой части гликолиза является фермент альдолаза. Благодаря ему происходит обратимое расщепление вещества на две фосфотриозы. В зависимости от значения температуры происходит установление равновесия на разном уровне.
Как поясняет происходящее биохимия? Гликолиз при повышении температуры протекает в сторону прямой реакции, продуктом которой является глицеральдегид-3-фосфата и диоксиацетонфосфат.
Остальные стадии
Пятым этапом считают процесс изомеризации триозофосфатов. Катализатором процесса является фермент триозофосфатизомераза.
Шестая реакция в суммарном виде описывает получение 1,3-дифосфорглицериновой кислоты в присутствии в качестве акцептора водорода фосфата НАД. Именно этот неорганический агент отщепляет водород от глицеральдегда. Получаемая связь непрочная, но она богата энергией, а при расщеплении получают 1,3-дифосфоглицериноваую кислоту.
Седьмая стадия катализируется фосфоглицераткиназой, предполагает передачу энергии фосфатным остатком на АДФ с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты и АТФ.
В восьмой реакции идет внутримолекулярный перенос фосфатной группы, при этом наблюдается превращение 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицерат. Процесс обратимый, поэтому для его осуществления используют катионы магния.
Кофактором фермента на этом этапе выступает 2,3-дифосфоглицериновая кислота.
Девятая реакция предполагает переход 2-фосфоглицериновой кислоты в фосфоенолпируват. Ускорителем этого процесса выступает фермент енолаза, которая активируется катионами магния, а ингибитором в этом случае выступает фторид.
Десятая реакция идет с разрывом связи и переводом энергии фосфатного остатка на АДФ с фосфоенолпировиноградной кислоты.
Одиннадцатая стадия связана с восстановлением пировиноградной кислоты, получением молочной кислоты. Для осуществления этого превращения необходимо участие фермента лактатдегидрогеназы.
Как можно в общем виде записать гликолиз? Реакции, биохимия которых была рассмотрена выше, сводится к гликолитической оксидоредукции, сопровождающейся образованием молекул АТФ.
Значение процесса
Мы рассмотрели, как описывает биохимия гликолиз (реакции). Биологическое значение данного процесса состоит в получении фосфатных соединений, обладающих большим запасом энергии. Если на первом этапе затрачиваются две молекулы АТФ, то этап связан с образованием четырех молекул данного соединения.
Какова его биохимия? Гликолиз и глюконеогенез имеют энергетическую эффективность: на 2 молекулы АТФ приходится 1 молекула глюкозы. Изменение энергии при образовании из глюкозы двух молекул кислоты составляет 210 кДж/моль. 126 кДж уходит в виде тепла, 84 кДж скапливается в фосфатных связях АТФ. Концевая связь обладает значением энергии 42 кДж/моль. Подобными расчетами занимается и биохимия. Гликолиз аэробный и анаэробный имеют коэффициент полезного действия 0,4.
Интересные факты
В результате многочисленных экспериментов удалось установить точные значения каждой реакции гликолиза, протекающей в интактных эритроцитах человека. Восемь реакций гликолиза близки к термодинамическому равновесию, три процесса связаны с существенным снижением величины свободной энергии, считаются необратимыми.
Что такое глюконеогенез? Биохимия процесса заключается в расщеплении углевода, протекающем в несколько стадий. Контроль за каждым этапом осуществляется ферментами. Например, в тканях, для которых характерен аэробный метаболизм (ткани сердца, почек), он регулируется изоферментами ЛДГ1 и ЛДГ2. Они ингибируются незначительными количествами пирувата, в результате чего не допускается синтез молочной кислоты, достигается полное окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот.
Чем еще характеризуется анаэробный гликолиз? Биохимия, например, подразумевает включение в процесс иных углеводов.
В результате лабораторных исследований удалось установить, что около 80 % фруктозы, которая попадает в человеческий организм вместе с пищей, подвергается метаболизму в печени. Здесь происходит процесс фосфорилирования ее до фруктозо-6-фосфата, катализатором этого процесса выступает фермент гексокиназа.
Ингибируется этот процесс глюкозой. Получаемое соединение через несколько стадий превращается в глюкозу, сопровождается отщеплением фосфорной кислоты. Кроме того, возможны и последующие его превращения в другие фосфорсодержащие органические соединения.
Под воздействием АТФ и фосфофруктокиназы из фруктозо-6-фосфата будет получаться фруктозо-1,6-дифосфат.
Затем это вещество метаболизируется по стадиям, характерным для гликолиза. В мышцах и печени есть кетогексокиназа, способная ускорять процесс фосфорилирования фруктозы в ее фосфорсодержащее соединение. Процесс не блокируется глюкозой, а получающийся фруктозо-1-фосфат распадается под воздействием кетозо-1-фосфатальдолазы на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. D-глицеральдегид под воздействием триозокиназы вступает в фосфорилирование, в конечном итоге выделяются молекулы АТФ и получается дигидроксиацетонфосфат.
Врожденные аномалии
Биохимикам удалось выявить некоторые врожденные аномалии, связанные с обменом фруктозы. Данное явление (эссенциальная фруктозурия) связана с биологическим недостатком содержания в организме фермента кетогексокиназы, поэтому все процессы расщепления этого углевода тормозятся глюкозой. Следствием такого нарушения является накапливание в крови фруктозы. Для фруктозы почечный порог низкий, поэтому фруктозурию удается обнаруживать при концентрациях углевода в крови около 0,73 ммоль/л.
Участие в биосинтезе галактозы
Галактоза поступает в организм вместе с пищей, расщепляющейся в пищеварительном тракте до глюкозы и галактозы. Сначала этот углевод превращается в галактозо-1-фосфат, катализатором процесса выступает галактокиназа. Далее происходит превращение фосфорсодержащего соединения в глюкозо-1-фосфат. На этом этапе также образуется уридиндифосфогалактоза и УДФ-глюкоза. Последующие стадии процесса протекают по схеме, аналогичной расщеплению глюкозы.
Помимо этого пути метаболизма галактозы, возможна и вторая схема. Сначала также образуется галактозо-1-фосфат, но последующие этапы связаны с образованием молекул УТФ и глюкозо-1-фосфата.
Среди многочисленных патологических состояний, связанных с углеводным обменом, особое место занимает галактоземия. Это явление связано с рецессивно наследуемым заболеванием, при котором содержание в крови сахара повышается из-за галактозы и достигает 16,6 ммоль/л. При этом практически не происходит изменения содержания в крови глюкозы. Помимо галактозы, в таких случаях накапливается в крови и галактозо-1-фосфат. Дети, у которых выявлена галактоземия, имеют умственную отсталость, а также есть катаракту.
По мере роста нарушения углеводного обмена снижаются, причиной является протекание расщепления галактозы по второму пути. Благодаря тому, что биохимикам удалось выяснить суть происходящего процесса, появилась возможность бороться с проблемами, касающимися неполного расщепления глюкозы в организме.
