Введение

Серия взаимосвязанных биохимических реакций. Гликолиз – это метаболический путь, который превращает глюкозу (C6H12O6) в пируват и, в большинстве организмов, происходит в жидкой части клеток (цитозоле). Свободная энергия, высвобождаемая в этом процессе, используется для образования высокоэнергетических молекул аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). Гликолиз – это последовательность из десяти реакций, катализируемых ферментами. Широкое распространение гликолиза у других видов указывает на то, что это древний метаболический путь. Действительно, реакции, составляющие гликолиз и его параллельный путь – путь пентозофосфатов, могут протекать в бескислородных условиях архейских океанов, даже в отсутствие ферментов, катализируемые ионами металлов, что делает его правдоподобным пребиотическим путем для абиогенеза. Наиболее распространенным типом гликолиза является путь Эмбдена – Мейерхофа – Парнаса (EMP), открытый Густавом Эмбденом, Отто Мейерхофом и Якубом Каролом Парнасом. Гликолиз также может относиться к другим путям, таким как путь Энтера – Додорова и различные гетероферментативные и гомоферментативные пути. Однако в данном обсуждении мы ограничимся путем Эмбдена – Мейерхофа – Парнаса. Путь гликолиза можно разделить на две фазы:
Фаза инвестиций – в которой потребляется АТФ.
Фаза образования продуктов – в которой образуется больше АТФ, чем было первоначально затрачено.

Биохимическая логика

Существование более чем одной точки регуляции указывает на то, что промежуточные соединения между этими точками входят и покидают путь гликолиза посредством других процессов. Например, на первом регулируемом этапе гексокиназа превращает глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Вместо продолжения по пути гликолиза, этот промежуточный продукт может быть преобразован в молекулы запаса глюкозы, такие как гликоген или крахмал. Обратная реакция, например, расщепление гликогена, производит главным образом глюкозо-6-фосфат; в этой реакции образуется очень мало свободной глюкозы. Полученный таким образом глюкозо-6-фосфат может вступать в гликолиз после первой точки контроля. На втором регулируемом этапе (третьем этапе гликолиза) фосфофруктокиназа превращает фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бисфосфат, который затем превращается в глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Дигидроксиацетонфосфат может быть удален из гликолиза путем превращения в глицерол-3-фосфат, который может быть использован для образования триглицеридов. В свою очередь, триглицериды могут быть расщеплены на жирные кислоты и глицерин; последний может быть преобразован в дигидроксиацетонфосфат, который может вступать в гликолиз после второй точки контроля.

Гексокиназа и глюкокиназа

Все клетки содержат фермент гексокиназу, который катализирует превращение глюкозы, поступившей в клетку, в глюкозо-6-фосфат (G6P). Поскольку клеточная мембрана непроницаема для G6P, гексокиназа, по сути, обеспечивает транспорт глюкозы в клетки, откуда она затем не может покинуть их. Гексокиназа ингибируется высокими уровнями G6P в клетке. Таким образом, скорость поступления глюкозы в клетки частично зависит от того, насколько быстро G6P может быть утилизирован посредством гликолиза и синтеза гликогена (в клетках, запасающих гликоген, а именно в печени и мышцах). Глюкокиназа, в отличие от гексокиназы, не ингибируется G6P. Она присутствует в клетках печени и будет фосфорилировать поступающую в клетку глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P) только при избытке глюкозы в крови. Являясь первым этапом гликолитического пути в печени, она обеспечивает дополнительный уровень контроля этого пути в данном органе. Однако концентрация АТФ изменяется не более чем на 10% в физиологических условиях, в то время как снижение АТФ на 10% приводит к шестикратному увеличению АМФ. Таким образом, значимость АТФ как аллостерического эффектора вызывает сомнения. Увеличение АМФ является следствием снижения энергетического заряда в клетке. Цитрат ингибирует фосфофруктокиназу в условиях in vitro, усиливая ингибирующее действие АТФ. Однако маловероятно, что это имеет существенное значение in vivo, поскольку цитрат в цитозоле в основном используется для превращения в ацетил-КоА для синтеза жирных кислот и холестерина. TIGAR, фермент, индуцируемый p53, отвечает за регуляцию фосфофруктокиназы и защищает от окислительного стресса. TIGAR – это единый фермент с двойной функцией, регулирующий F2,6BP. Он может функционировать как фосфатаза (фруктозо-2,6-бисфосфатаза), расщепляющая фосфат в положении 2 с образованием F6P, а также как киназа (PFK2), присоединяющая фосфат к положению 2 F6P с образованием F2,6BP. У человека белок TIGAR кодируется геном C12orf5. Фермент TIGAR будет препятствовать дальнейшему продвижению гликолиза, вызывая накопление фруктозо-6-фосфата (F6P), который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат (G6P). Накопление G6P направит углеродные атомы в пентозофосфатный путь.

Генетические заболевания

Гликолитические мутации обычно редки из-за важности этого метаболического пути; большинство возникающих мутаций приводят к неспособности клетки к дыханию и, следовательно, к её гибели на ранней стадии. Однако некоторые мутации (болезни накопления гликогена и другие врожденные нарушения углеводного обмена) встречаются, ярким примером является дефицит пируваткиназы, вызывающий хроническую гемолитическую анемию.

Рак

Злокачественные опухолевые клетки проводят гликолиз в десять раз быстрее, чем их аналоги из нераковых тканей. Во время их возникновения ограниченная поддержка капилляров часто приводит к гипоксии (снижению поступления кислорода) в опухолевых клетках. Таким образом, эти клетки полагаются на анаэробные метаболические процессы, такие как гликолиз, для получения АТФ (аденозинтрифосфата). Некоторые опухолевые клетки сверхэкспрессируют специфические гликолитические ферменты, что приводит к более высоким темпам гликолиза. Часто эти ферменты являются изоферментами традиционных ферментов гликолиза, различающимися по чувствительности к традиционному ингибированию обратной связи. Увеличение гликолитической активности в конечном итоге компенсирует эффекты гипоксии, генерируя достаточное количество АТФ посредством этого анаэробного пути. Это явление впервые было описано Отто Варбургом в 1930 году и называется эффектом Варбурга. Гипотеза Варбурга утверждает, что рак в первую очередь вызван дисфункцией митохондриального метаболизма, а не неконтролируемым ростом клеток. Для объяснения эффекта Варбурга выдвинуто несколько теорий. Одна из них предполагает, что повышенный гликолиз является нормальным защитным механизмом организма, а злокачественные изменения могут быть в первую очередь вызваны нарушениями энергетического метаболизма. Эта высокая скорость гликолиза имеет важное медицинское значение, поскольку высокий аэробный гликолиз при злокачественных опухолях используется в клинической практике для диагностики и мониторинга ответа на лечение рака путем визуализации поглощения 2-дезоксиглюкозы-18F (FDG) – радиоактивного модифицированного субстрата гексокиназы – с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Ведутся исследования, направленные на воздействие на митохондриальный метаболизм и лечение рака путем снижения гликолиза и, следовательно, лишения раковых клеток энергии различными новыми способами, включая кетогенную диету.

Интерактивная карта маршрута

На диаграмме ниже представлены названия человеческих белков. Названия в других организмах могут отличаться, а количество изозимов (например, HK1, HK2) также, вероятно, будет другим.

Структура компонентов гликолиза в проекциях Фишера и полигональной модели

Промежуточные продукты гликолиза, изображенные в проекциях Фишера, демонстрируют поэтапное изменение химических соединений. Такое изображение можно сравнить с полигональным моделированием. Дополнительное сравнение проекций Фишера и полигональной модели в гликолизе представлено в видеоролике. Видеоанимации на том же канале YouTube доступны и для другого метаболического пути (цикла Кребса), а также для демонстрации представления и применения полигональной модели в органической химии.