Гликолиз: этапы, реакции и ферменты по шагам

Гликолиз - это центральный путь расщепления глюкозы, который идёт в цитоплазме почти любой клетки и не требует кислорода. За десять последовательных реакций одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата, а клетка получает чистую прибыль в виде АТФ и восстановленного кофермента НАДН. Этот путь спрашивают на каждом коллоквиуме по биохимии, и сложность не в идее, а в деталях: какой фермент катализирует каждый шаг, где тратится энергия, а где возвращается, и почему три реакции необратимы. Ниже разберём все этапы по порядку. Чтобы быстро собрать запрос под конкретное задание - схему пути, баланс АТФ или роль отдельного фермента, воспользуйтесь формой ниже.

Что такое гликолиз и зачем он нужен

Гликолиз (от греческого glykys - сладкий и lysis - расщепление) переводит шестиуглеродную глюкозу в две трёхуглеродные молекулы пирувата. Суммарное уравнение пути выглядит так:

$\text{Глюкоза} + 2\,\text{НАД}^+ + 2\,\text{АДФ} + 2\,\text{Ф}_н \rightarrow 2\,\text{Пируват} + 2\,\text{НАДН} + 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{АТФ} + 2\,\text{H}_2\text{O}$

Главная задача пути - быстро дать клетке энергию и метаболические заготовки. В аэробных условиях пируват уходит в митохондрию, где через пируватдегидрогеназный комплекс и цикл Кребса окисляется до конца. В анаэробных - превращается в лактат (в мышцах) или в этанол (у дрожжей), и это позволяет регенерировать НАД$^+$, без которого гликолиз остановился бы.

Помимо энергии, путь поставляет важные промежуточные метаболиты: глюкозо-6-фосфат может уйти в пентозофосфатный путь, дигидроксиацетонфосфат служит сырьём для синтеза жиров, а 3-фосфоглицерат - предшественник аминокислоты серина. Поэтому гликолиз называют не просто энергетическим, а узловым путём обмена веществ.

Две фазы пути: вложение и отдача энергии

Десять реакций удобно делить на две фазы. Подготовительная (энергозатратная) фаза - первые пять шагов: клетка вкладывает 2 АТФ, чтобы активировать и дестабилизировать молекулу сахара и расколоть её на два трёхуглеродных фрагмента. Окислительная (энергодающая) фаза - шаги с шестого по десятый: здесь клетка снимает урожай - синтезирует 4 АТФ и 2 НАДН.

Рассчитать для своей задачи

Именно поэтому чистый выход всего 2 АТФ на молекулу глюкозы, а не 4: два уже потрачены на входе. Эту арифметику чаще всего и путают на экзамене.

Подготовительная фаза: реакции 1-5 и их ферменты

Разберём первую половину пути по шагам с указанием фермента каждой реакции.

1. Фосфорилирование глюкозы. Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат с затратой одной АТФ. Фермент - гексокиназа (в печени - глюкокиназа). Реакция необратима и удерживает сахар внутри клетки.
2. Изомеризация. Глюкозо-6-фосфат переходит в фруктозо-6-фосфат. Фермент - фосфоглюкоизомераза. Альдоза становится кетозой, что готовит молекулу к симметричному расщеплению.
3. Второе фосфорилирование. Фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат с затратой второй АТФ. Фермент - фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1). Это главная регуляторная и необратимая реакция всего пути.
4. Расщепление. Фруктозо-1,6-бисфосфат раскалывается на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Фермент - альдолаза.
5. Изомеризация триоз. Дигидроксиацетонфосфат переходит в глицеральдегид-3-фосфат. Фермент - триозофосфатизомераза. После этого шага обе половинки молекулы идентичны, поэтому все последующие реакции умножаются на два.

Окислительная фаза: реакции 6-10 и синтез АТФ

Со шестой реакции каждый шаг идёт в двух экземплярах (по числу триоз).

1. Окисление и фосфорилирование. Глицеральдегид-3-фосфат превращается в 1,3-бисфосфоглицерат. Фермент - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа. Здесь образуется НАДН и встраивается неорганический фосфат - единственная окислительная стадия пути.
2. Первый синтез АТФ. 1,3-бисфосфоглицерат отдаёт фосфат на АДФ, давая 3-фосфоглицерат и АТФ. Фермент - фосфоглицераткиназа. Это пример субстратного фосфорилирования.
3. Перенос фосфатной группы. 3-фосфоглицерат превращается в 2-фосфоглицерат. Фермент - фосфоглицератмутаза.
4. Дегидратация. 2-фосфоглицерат теряет воду и становится фосфоенолпируватом (ФЕП). Фермент - енолаза. Молекула накапливает высокий фосфатный потенциал.
5. Второй синтез АТФ. Фосфоенолпируват отдаёт фосфат на АДФ, образуя пируват и АТФ. Фермент - пируваткиназа. Реакция необратима.

Подробнее два этих энергодающих шага и сам механизм переноса фосфата с субстрата на АДФ разобраны в отдельной статье про субстратное фосфорилирование в гликолизе.

Три необратимых фермента и регуляция

Из десяти реакций обратимы все, кроме трёх. Необратимыми (с большим отрицательным изменением свободной энергии) являются реакции гексокиназы, фосфофруктокиназы-1 и пируваткиназы. Именно эти три фермента - точки контроля скорости всего пути.

Рассчитать для своей задачи

Главный регулятор - ФФК-1: её активирует АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфат, а тормозят АТФ и цитрат (сигнал о том, что энергии достаточно). Как именно аллостерические активаторы и ингибиторы переключают эти ферменты, подробно показано в материале о регуляции гликолиза и ключевых ферментах. Необратимость этих стадий важна и для обратного процесса - глюконеогенеза, который обходит их собственными ферментами.

Энергетический баланс: сколько АТФ даёт гликолиз

Считаем по фазам. Затраты: 1 АТФ на шаге 1 и 1 АТФ на шаге 3, итого минус 2 АТФ. Доход: по 1 АТФ на шагах 7 и 10, причём каждый умножается на 2 триозы, итого плюс 4 АТФ.

$\text{Чистый выход} = 4\,\text{АТФ} - 2\,\text{АТФ} = 2\,\text{АТФ}$

Дополнительно образуется 2 НАДН. В аэробных условиях их электроны через дыхательную цепь дают ещё энергию, и общий итог окисления глюкозы вырастает многократно. Но сам гликолиз как путь даёт ровно 2 молекулы АТФ за счёт субстратного фосфорилирования. Важно понимать, что НАДН тут не выгода ради самого НАДН: чтобы реакция шестого шага шла дальше, окисленную форму НАД$^+$ нужно постоянно регенерировать. В аэробных условиях это делает дыхательная цепь, а в анаэробных - реакции брожения.

Что происходит с пируватом дальше

Сам гликолиз заканчивается на пирувате, но судьба этой молекулы зависит от условий и типа клетки. Это часть вопроса, без которой разбор пути выглядит незаконченным.

• Аэробные условия. Пируват транспортируется в митохондрию, где пируватдегидрогеназный комплекс превращает его в ацетил-КоА, а тот вступает в цикл Кребса. Так клетка извлекает из глюкозы максимум энергии.
• Анаэробные условия в мышцах. Лактатдегидрогеназа восстанавливает пируват до лактата, регенерируя НАД$^+$. Это позволяет гликолизу работать при дефиците кислорода ценой накопления молочной кислоты.
• Спиртовое брожение. У дрожжей пируват сначала теряет $\text{CO}_2$, превращаясь в ацетальдегид, а затем восстанавливается до этанола - снова с регенерацией НАД$^+$.

Во всех анаэробных вариантах смысл одинаков: окислить НАДН обратно до НАД$^+$, чтобы шестой шаг гликолиза не встал. Именно поэтому брожение - это не часть гликолиза, а его продолжение в бескислородных условиях.

Частые ошибки

• Путают чистый и валовой выход АТФ. Синтезируется 4, тратится 2 - запоминать нужно именно чистую прибыль в 2 АТФ.
• Забывают про удвоение со стадии 6. После расщепления молекулы все нижние реакции идут дважды; без множителя 2 баланс сходится неверно.
• Считают окислительной всю вторую фазу. Окисление с образованием НАДН происходит только на шаге 6 (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа), остальное - перенос и отщепление фосфата.
• Смешивают гексокиназу и фосфофруктокиназу. Первая фосфорилирует глюкозу (шаг 1), вторая - фруктозо-6-фосфат (шаг 3); это разные регуляторные точки.
• Помещают гликолиз в митохондрию. Все десять реакций идут в цитозоле; в митохондрию уходит уже готовый пируват.

FAQ

Где в клетке протекает гликолиз? В цитоплазме (цитозоле). Это отличает его от цикла Кребса и окислительного фосфорилирования, которые идут в митохондриях. Поэтому гликолиз возможен даже у клеток без митохондрий, например у зрелых эритроцитов.

Сколько всего ферментов участвует в гликолизе? Десять - по одному уникальному ферменту на каждую из десяти реакций. Три из них (гексокиназа, фосфофруктокиназа-1, пируваткиназа) катализируют необратимые регуляторные стадии.

Чем гликолиз отличается от брожения? Гликолиз - это сами десять реакций до пирувата. Брожение (молочнокислое или спиртовое) - это дополнительные стадии после гликолиза в анаэробных условиях, нужные для регенерации НАД$^+$ из НАДН, чтобы путь мог продолжаться.

Коротко

Гликолиз - десять цитоплазматических реакций, превращающих одну глюкозу в две молекулы пирувата с чистой прибылью 2 АТФ и 2 НАДН. Путь делится на подготовительную фазу (шаги 1-5, расход 2 АТФ, расщепление сахара на триозы) и окислительную (шаги 6-10, синтез 4 АТФ и образование НАДН). Каждую реакцию ведёт свой фермент, а три из них - гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа - необратимы и служат точками регуляции скорости всего пути.