Гліко́ліз або шлях Ембдена—Меєргофа—Парнаса (від — солодкий та — розщеплення) — ланцюг із десяти реакцій, внаслідок яких глюкоза C6H12O6 перетворюється на піруват, C3H3O з утворенням АТФ (аденозинтрифосфату) та НАДН (відновленого нікотинамідаденіндинуклеотиду).
У аеробних організмів гліколіз йде перед циклом трикарбонових кислот та ланцюгом переносу електронів. Вони разом вивільняють більшу частину енергії, яка міститься в глюкозі. За аеробних умов піруват потрапляє в мітохондрії, де повністю окиснюється до СО2 та Н2О.
За недостатності кисню (це буває в м'язах, які активно скорочуються) піруват перетворюється на лактат. У деяких анаеробних організмах, наприклад, дріжджів, піруват перетворюється не на лактат, а на етанол. Утворення етанолу та лактату з глюкози — це приклади бродіння.
Історія дослідження
Серед метаболічних шляхів гліколіз відкрили першим і він найдослідженіший. 1897 року брати та Едуард Бюхнери виготовляли безклітинні екстракти дріжджів для лікування. Очевидно, вони при цьому не могли скористатися отруйними для людини антисептиками (наприклад, фенолом), тому спробували поширений у кулінарії консервант — сахарозу. З'ясувалося, що в дріжджових екстрактах ця речовина швидко зброджувалась до етилового спирту. Так було вперше встановлено, що бродіння може відбуватись поза межами живих клітин. 1907 року за це відкриття Едуарда Бюхнера відзначили Нобелівською премією з хіміїНобелівська премія з хімії 1907 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012..
Вивчення позаклітинного бродіння лишалося одним із основних завдань біохімії аж до 1940-х років. Перебіг цього метаболічного шляху в клітинах дріжджів описали Отто Варбург, Ганс фон Ейлер-Хельпін та Артур Гарден (два останні отримали Нобелівську премію з хімії 1929 рокуНобелівська премія з хімії 1929 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012). Гліколіз у м'язах дослідили та Отто Меєргоф (Нобелівська премія з медицини та фізіології 1922 рокуНобелівська премія з медицини та фізіології 1922 року на сайті Nobelprize.org — Процитовано 5 квітня 2012.). Свій внесок у дослідження гліколізу зробили , Яків Парнас, Герті та Карл Корі.
Завдяки вивченню гліколізу було зроблено «побічні» відкриття: винайшли численні методи очищення ферментів, з'ясували центральну роль АТФ та інших фосфорильованих сполук у метаболізмі, відкрили коензими, такі як НАД.
Поширення й значення Гліколіз є майже універсальним шляхом катаболізму глюкози для всіх клітинних організмів. Ймовірно, він виник на ранніх етапах розвитку життя на Землі, ще до того, як в атмосфері накопичився кисень внаслідок діяльності фотосинтезуючих істот. В еволюційному плані послідовність гліколітичних реакцій — надзвичайно давній шлях. Його ферменти у хребетних тварин, дріжджів та рослин дуже споріднені як за амінокислотними послідовностями, так і за тривимірною структурою. Секвенування ДНК з геномів численних організмів показало, що тільки в деяких архей та паразитичних бактерій відсутні один або кілька ферментів гліколізу, попри те сам шлях зберігається, імовірно, у модифікованій формі.
В евкаріотичних клітинах реакції гліколізу відбуваються у цитозолі. У більшості таких клітин саме цей метаболічний шлях з-поміж інших посідає перше місце за кількістю атомів вуглецю, що зазнають у ньому перетворень.
У більшості аеробних евкаріотичних організмів гліколіз створює субстрат до подальшого окиснення в мітохондріях, де за наявності кисню запасається значна кількість енергії у вигляді АТФ. Втім для деяких типів клітин, які не мають мітохонондрій або перебувають далеко від капілярів, зокрема в еритроцитах ссавців та клітинах кришталика, гліколіз є головним джерелом енергії. Для скелетних м'язів та інших тканин в умовах дуже великого навантаження або гіпоксії гліколіз вигідний не лише тому, що дає можливість одержати енергію за умов нестачі кисню, а ще й тому, що відбувається дуже швидко і забезпечує синтез АТФ у 10,5 разів швидше, ніж аеробне окиснення органічних речовин. Серед м'язових волокон виділяють групу волокон IIB, які містять мало мітохондрій, оточені невеликою кількістю капілярів та здатні до сильних швидких скорочень протягом невеликого часу. Такі волокна отримують більшу частину енергії за рахунок гліколізу. Клітини мозкового шару нирок, лімфоцити, клітини шкіри також є суттєво залежними від гліколізу.
Для головного мозку ссавців (за винятком випадків голодування) характерне активне використання гліколізу навіть за наявності кисню під час ембріонального нейрогенезу, а також при рості дендритів та формуванні синаптичних контактів у дорослому мозку. Гліколіз також є важливим джерелом енергії для сперматозоїдів. Сперматозоїди різних видів ссавців мають різну ефективність гліколізу: сперматозоїди людини здатні виживати та рухатися в анаеробному середовищі, тоді як клітини мурчака та свині знерухомлюються й без кисню гинуть; сперматозоїди биків та макак резусів займають проміжне положення.
У рослин від гліколізу залежать, головним чином, тканини, спеціалізовані на зберіганні крохмалю (наприклад, бульби картоплі) та водяні рослини (настурція лікарська).
Іншими шляхами окиснення глюкози є пентозофосфатний шлях та шлях Ентнера — Дудорова. Останній є заміною гліколізу в деяких грам-негативних та, дуже рідко, грам-позитивних бактерій і має багато спільних із ним ферментів.
Реакції гліколізу
Традиційно гліколіз поділяють на дві стадії: підготовчу, яка вимагає поглинання енергії (п'ять перших реакцій), та стадію віддавання енергії (п'ять останніх реакцій). Інколи четверту та п'яту реакції виділяють в окрему проміжну стадію.
На першій стадії відбувається фосфорилювання глюкози у шостому положенні, ізомеризація одержаного глюкозо-6-фосфату до фруктозо-6-фосфату та повторне фосфорилювання вже у першому положенні. Внаслідок цього утворюється фруктозо-1,6-бісфосфат. Фосфатні групи на моносахариди переносяться з АТФ. Це необхідно для активації молекул — збільшення вмісту в них вільної енергії. Потім фруктозо-1,6-бісфосфат розщеплюється до двох фосфотріоз, які можуть вільно перетворюватись одна на одну.
На другій стадії (віддавання енергії) фосфотріоза (гліцеральдегід-3-фосфат) окиснюється та фосфорилюється неорганічним фосфатом. Утворюється продукт, що в серії екзергонічних реакцій, спряжених із синтезом чотирьох молекул АТФ, перетворюється на піруват. Отже, під час гліколізу відбувається три принципові перетворення: розщеплення глюкози до двох молекул пірувату; фосфорилювання АДФ до АТФ; відновлення НАД.
Перша стадія
Фосфорилювання глюкози Перша реакція гліколізу — фосфорилювання глюкози з утворенням глюкозо-6-фосфату, що каталізується ферментом гексокіназою. Донором фосфатної групи є молекула АТФ. Реакція відбувається тільки за наявності іонів Mg2+, тому що справжнім субстратом для гексокінази є не АТФ4-, а комплекс MgАТФ2-. Магній екранує негативний заряд фосфатної групи, таким чином полегшуючи здійснення нуклеофільної атаки на останній атом фосфору гідроксильною групою глюкози.
ΔG0 = −16,7 кДж/моль
Внаслідок фосфорилювання відбувається не лише активація молекули глюкози, а й її «ув'язнення» всередині клітини: плазматична мембрана має білки-переносники для глюкози, але не для її фосфорильованої форми. Тому велика заряджена молекула глюкозо-6-фосфату не може пройти крізь мембрану, хоча її концентрація у цитоплазмі більша, аніж у позаклітинній рідині.
Фермент гексокіназа є майже у всіх організмів, основним його субстратом є глюкоза. Проте він може каталізувати фосфорилювання інших гексоз: D-фруктози, D-манози тощо. У людини є чотири ізоформи гексокінази (від I до IV). Один з ізоферментів — гексокіназа IV або глюкокіназа — відрізняється від інших форм особливостями кінетики та регулюванням своєї активності.
Ізомеризація глюкозо-6-фосфату У другій реакції гліколізу відбувається ізомеризація глюкозо-6-фосфату до фруктозо-6-фосфату під впливом ферменту глюкозофосфатізомерази (гексозофосфатізомерази). Спочатку відбувається відкриття шестичленного піранозного кільця глюкозо-6-фосфату, тобто перехід цієї речовини у лінійну форму, після чого карбонільна група з першого положення переноситься в друге через проміжну ендіольну форму. Тобто альдоза перетворюється на кетозу. Утворена лінійна молекула фруктозо-6-фосфату замикається у п'ятичленне фуранозне кільце.
ΔG0 = 1,7 кДж/моль
Через незначну зміну вільної енергії реакція є оборотною. Ізомеризація глюкозо-6-фосфату є необхідною умовою для подальшого гліколізу, оскільки наступна реакція — ще одне фосфорилювання — потребує гідроксильної групи в першому положенні.
Фосфорилювання фруктозо-6-фосфату Після стадії ізомеризації починається друга реакція фосфорилювання, за якої фруктозо-6-фосфат перетворюється на завдяки приєднанню фосфатної групи АТФ. Реакцію каталізує фермент (скорочено ФФК-1). Існує також фермент , який каталізує утворення іншим метаболічним шляхом .
ΔG0 = −14,2 кДж/моль
У цитоплазмі ця реакція є незворотною. Вона першою достеменно визначає розщеплення речовин по гліколітичному шляху, оскільки глюкозо-6-фосфат та фруктозо-6-фосфат можуть вступати в інші метаболічні перетворення, а фруктозо-1,6-бісфосфат використовується лише для гліколізу. Саме утворення фруктозо-1,6-бісфосфату є визначальною стадією гліколізу.
У рослин, деяких бактерій та найпростіших є також форма фосфофруктокінази, що використовує як донор фосфатної групи пірофосфат, а не АТФ. ФФК-1 як зазнає складного регулювання. До позитивних модуляторів належать продукти розщеплення АТФ — АДФ та АМФ, (проміжний продукт пентозофосфатного шляху), у деяких організмів — фруктозо-2,6-бісфосфат. Негативним модулятором є АТФ.
Розщеплення фруктозо-1,6-бісфосфату на дві фосфотріози Фруктозо-1,6-бісфосфат розщеплюється до двох фосфотріоз: гліцеральдегід-3-фосфат та дигідроксиацетонфосфат під впливом фруктозо-1,6-фосфатальдолази (частіше просто альдолаза). Назва ферменту альдолази походить від зворотної реакції альдольної конденсації. Механізм проходження реакції зображений на схемі:
ΔG0 = 23,8 кДж/моль
Хоча стандартна зміна вільної енергії під час розщеплення фруктозо-1,6-бісфосфату є позитивною й має велике абсолютне значення, в реальній клітині через низьку концентрацію фосфотріоз реакція легко проходить в обидва боки.
Описаний механізм реакції характерний тільки для альдолази класу I, поширеної у рослин та тварин. У клітинах бактерій та грибів є альдолаза класу II. Вона каталізує реакцію іншим шляхом.
Механізм реакції альдольного розщеплення демонструє важливість ізомеризації і в другій реакції гліколізу. Якби такому перетворенню підлягала альдоза (глюкоза), то утворилася б одна двокарбонова та одна чотирикарбонова сполука. Кожна з них мала б метаболізуватися своїм власним шляхом. Натомість трикарбонові сполуки, утворені при розщепленні кетози (фруктози), можуть легко перетворюватись одна на одну і метаболізуються один шляхом.
Ізомеризація фосфотріоз У подальших реакціях гліколізу бере участь тільки одна із фосфотріоз, утворених з фруктозо-1,6-бісфосфату, а саме гліцеральдегід-3-фосфат. Проте інший продукт — дигідроксиацетонфосфат — швидко і зворотно може перетворюватись на гліцеральдегід-3-фосфат (каталізує цю реакція тріозофосфатізомераза).
ΔG0 = 7,5 кДж/моль
Механізм реакції схожий на ізомеризацію глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат. Рівновага реакції зміщена в бік утворення дигідроксиацетонфосфату (96 %), проте через постійне витрачання гліцеральдегід-3-фосфату весь час відбувається зворотне перетворення.
Після перетворення двох «половинок» глюкози на гліцеральдегід-3-фосфат атоми вуглецю, що походять від її C-1, C-2 та C-3, стають хімічно тотожними C-6, C-5 та C-4 відповідно. Ця реакція завершує підготовчу стадію гліколізу.
Друга стадія
Окиснення гліцеральдегід-3-фосфату