Гликолиз

Гликолиз

Гликолиз – процесс распада одной молекулы глюкозы с выделением энергии, достаточной для "зарядки" двух молекул АТФ, протекает в саркоплазме под воздействием 10 специальных ферментов.

C₆H₁₂O₆ + 2H₃PO₄ + 2АДФ = 2C₃H₆O₃ + 2АТФ + 2H₂O.

Гликолиз может протекать без потребления кислорода (такие процессы называются анаэробными) и с потреблением кислорода (аэробный гликолиз) способен быстро восстанавливать запасы АТФ в мышце.

При занятиях бодибилдингом и высокоинтенсивных упражнениях происходит анаэробный гликолиз, с образованием молочной кислоты.

Во время динамических нагрузок, таких как бег, плавание и т.п., происходит аэробный гликолиз.

Аэробный гликолиз происходит в митохондриях под воздействием специальных ферментов и требует затрат кислорода, а соответственно и времени на его доставку. Окисление происходит в несколько этапов, сначала идет гликолиз, но образовавшиеся в ходе промежуточного этапа этой реакции две молекулы пирувата не преобразуются в молекулы молочной кислоты, а проникают в митохондрии, где окисляются в цикле Кребса до углекислого газа СО2 и воды Н2О и дают энергию для производства еще 38 молекул АТФ. Суммарное уравнение реакции окисления глюкозы выглядит так:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38АДФ + 38H₃PO₄ = 6CO₂ + 44H₂O + 38АТФ

Распад глюкозы по аэробному пути (аэробный гликолиз) дает энергию для восстановления 38 молекул АТФ. Аэробное окисление в 19 раз эффективнее анаэробного гликолиза.

Подробное описание в статье: Энергообеспечение мышечной деятельности

Анаэробный гликолиз глюкозы в эритроцитах, 2,3-БФГ и эффект Бора

Рис. 1. Анаэробный гликолиз в эритроцитах

Рис. 2. Образование 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах

Эритроциты транспортируют большое количество кислорода, которым снабжают все органы человека. По иронии судьбы сами они не могут использовать этот кислород. Источником энергии для эритроцитов служит глюкоза, при окислении которой в ходе анаэробного гликолиза в эритроцитах образуется АТФ (рис. 1). Аэробное окисление глюкозы в эритроцитах невозможно, так как в них отсутствуют митохондрии и вместе с ними все ферменты цикла Кребса. Кроме того, в них отсутствуют также ферменты, необходимые для окисления жирных кислот и использования кетоновых тел.

Функция эритроцитов — транспорт кислорода ко всем органам и тканям организма. Гемоглобин эритроцитов прочно связывается с кислородом, образуя оксигемоглобин. Однако в периферических тканях эритроциты должны отдать этот кислород другим клеткам. Это осуществляется благодаря явлению, известному под названием эффекта Бора. Эффект Бора создается благодаря двум факторам: протонам и 2,3-бисфосфоглицерату (рис. 2).

• Протоны вытесняют кислород из оксигемоглобина

Работающим мышцам необходим АТФ, и поэтому в них интенсивно функционирует цикл Кребса. В цикле Кребса образуется диоксид углерода, который проникает в эритроциты и реагирует с водой, образуя угольную кислоту (эту реакцию катализирует карбоангидраза). Угольная кислота самопроизвольно диссоциирует, образуя бикарбонат и протон, что приводит к местному возрастанию концентрации протонов (Н+), т.е. понижению pH. Протоны высвобождают кислород из гемоглобина, и кислород диффундирует из эритроцитов в периферические ткани. Здесь он связывается с миоглобином и переносит кислород в дыхательную цепь, где он используется для синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования.

• Высвобождение кислорода в периферических тканях: 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ) стабилизирует структуру дезоксигемоглобина. Помимо протонов, в создании эффекта Бора принимает участие 2,3-бисфосфоглицерат (2.3-БФГ) (рис. 2). В медицинской литературе распространено и другое название этого вещества — 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ). 2.3-БФГ образуется в анаэробных условиях в эритроцитах. Процесс образования 2,3-БФГ происходит в дополнительной реакции гликолиза, получившей название

2,3-БФГ-шунта (шунт Рапопорта-Люберинга) (рис. 2). В периферических тканях молекула 2,3-БФГ связывается с дезоксигемоглобином и стабилизирует его структуру, не позволяя ему захватывать кислород от соседней молекулы оксигемоглобина.

• Связывание гемоглобина с кислородом в легких. Эритроциты переносят дезоксигемоглобин и связанный с ним СО2 в легкие. Поскольку в легких имеет место высокое парциальное давление кислорода, он вытесняет С02 из гемоглобина, и С02 выходит из легких при выдохе. Кислород связывается с гемоглобином, образуя оксигемоглобин, 2,3-БФГ вытесняется, и эритроциты переносят к периферическим тканям следующую порцию кислорода.

2.3- БФГ в норме и при патологии

Эмбриональный гемоглобин имеет низкое сродство к 2,3-БФГ

Гемоглобин — тетрамер. состоящий из двух альфа-цепей и двух бета-цепей. Фетальный гемоглобин имеет иное строение: он состоит из двух а-цепей и двух у-цепей. По сравнению с нормальным гемоглобином взрослого человека, фетальный гемоглобин имеет более низкое сродство к 2,3-БФГ. Это значит, что сродство к кислороду у фетального гемоглобина выше, чем у гемоглобина материнского организма. Благодаря этому происходит транспорт кислорода от материнского организма к азолу.

2.3- БФГ и высотная адаптация

Предположим, что некий житель низин решил провести отпуск в горах. В первые дни отпуска даже незначительные физические нагрузки вызовут у него усталость и одышку. Но за несколько дней произойдет адаптация к высокогорью — в эритроцитах повысится концентрация 2,3-БФГ. Благодаря этому ткани станут получать кислород в достаточном количестве. несмотря на то что его концентрация в разреженном горном воздухе невысока. Повышение концентрации 2,3-БФГ — ответная реакция организма на недостаток кислорода

У курящих лиц концентрация 2,3-БФГ в эритроцитах выше, чем у некурящих. Так организм компенсирует сниженное вследствие постоянного воздействия угарного газа обеспечение тканей кислородом. Компенсаторное повышение уровня 2.3- БФГ также часто наблюдается у больных хроническими анемиями, обструктивной болезнью легких, при врожденных пороках сердца и муковисцидозе.

Энзимопатии гликолитического пути в эритроцитах

В редких случаях из-за врожденной недостаточности гликолитических ферментов в эритроцитах развивается наследственная несфероцитарная гемолитическая анемия. Это заболевание может быть весьма тяжелым, поскольку в эритроцитах гликолиз — единственный путь синтеза и АТФ и 2.3-БФГ.

Нарушения гликолитического ферментативного аппарата могут по-разному сказываться на метаболизме 2.3-БФГ (рис. 2). Если нарушение расположено проксимально по отношению к 2.3-БФГ-шунту (например, при недостаточности гексокиназы, фосфоглюкоизомеразы или альдолазы А), уровень 2,3-БФГ будет снижен, так как будет снижена интенсивность синтеза его предшественников. Если же нарушение расположено после 2.3-БФГ-шунта (например, недостаточность пируваткиназы). концентрация 2.3-БФГ в эритроцитах будет повышена.

Кроме того, у ряда больных была обнаружена недостаточность бифункционального фермента шунта — БФГ-мутазы/2,3-БФГ-фосфагазы. У таких больных концентрация 2.3- БФГ была низкой.

Номенклатура альдолаз

Чтобы учащийся не путал разные термины, необходимо разобраться в номенклатуре альдолаз. Альдолаза (полное название — фруктозо-1,6-бисфосфат-атьдолаза) по официальной номенклатуре называется D-глицеральдегид-З-фосфатлиазой. Она выполняет три функции:

• катализирует реакцию конденсации дигидрокснацетон-фосфата и глицеральдегид-З-фосфата. Продукт этой реакции — фруктозо-1,6-бисфосфат;

• катализирует расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата на лигилроксиацетонфосфат и минеральдегид-3-фосфат;

• катализирует расщепление других, структурно близких фосфатов сахаров. Так. альдолаза катализирует расщепление фруктозо-1-фосфата на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид (примечание: раньше фермент, выполняющий эту функцию, называли кетозо-1-фосфат-альдолазой).

У животных обнаружены три формы альдолазы.

Альдолаза А. Содержится в эритроцитах и мышцах. При наследственной гемолитической анемии в крови содержится дефектная форма альдолазы А.

Альдолаза В. Недостаточность альдолазы В приводит к наследственной непереносимости фруктозы. Альдолаза В присутствует в печени, почках и тонком кишечнике.

Альдолаза С. Содержится в головном мозге.

Взаимосвязь гликолиза и аэробных реакций

Источник:
«Спортивная энциклопедия систем жизнеобеспечения».
Редактор: Жуков А.Д. Изд.: Юнеско, 2011 год.

Два способа оценки аэробных возможностей организма (прямая оценка показателя максимального устойчивого состояния по лактату и косвенная оценка аэробно-анаэробного перехода) основаны на классической теории активации гликолиза, предложенной А. Хиллом. В основу этой теории легла гипотеза о том, что активация гликолиза в мышечном волокне запускается при снижении аэробного ресинтеза АТФ. Основной причиной снижения аэробного ресинтеза АТФ должно быть неадекватное снабжение клетки кислородом, т.е. фактически снижение внутриклеточного парциального давления кислорода до критического уровня (0,1—0,5 мм рт. ст.), ниже которого нормальное функционирование митохондрий невозможно. Прямо проверить данное предположение оказалось методически достаточно сложно.

Относительно недавно появились исследования, в которых in situ было измерено внутримышечное парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, во время максимального теста с возрастающей нагрузкой в т. gracilis у собаки методом криомикроспектроскопии. Среднее парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, при работе на уровне МПК значительно выше критического и составляет 5,5 мм рт. ст., при этом не удается обнаружить связь между ПК мышцей или средним парциальным давлением кислорода в волокне и концентрацией лактата в мышце или суммарным выходом лактата из мышцы.

Сходные результаты получены при измерении внутримышечного парциального давления кислорода во время максимального теста с повышающейся нагрузкой (50-100% от пикового ПК) у тренированных велосипедистов в условиях in vivo при разгибании ноги в коленном суставе. Исследователи получили достаточно неожиданный результат. Оказалось, что парциальное давление кислорода в миоглобине не изменяется на протяжении всего теста с возрастающей нагрузкой (50—100% от пикового ПК) вплоть до отказа от работы. Среднее парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, составляет 3,1 мм рт. ст. Любопытно, при работе в гипоксических условиях (F,02—0,12) парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, оказывается достоверно ниже, чем в нормоксии и составляет 2,1 мм рт. ст. Оно также не изменяется во всем диапазоне нагрузок (50~100% от пикового ПК). При этом потребление кислорода тканями рабочей ноги, измеренное с помощью прямого метода (по Фику), линейно растет вплоть до отказа от работы, как в гипоксических, так и в нормоксических условиях.

Таким образом, даже при гипоксии во время максимальной нагрузки парциальное давление кислорода в миоглобине не падает ниже критического уровня. Однако при этом наблюдается увеличение скорости суммарного выхода лактата из рабочей мышцы, измеренное с помощью прямого метода. Причем работа в условиях гипоксии приводила к значительно более интенсивному выходу лактата (относительно нормированной мощности работы), чем работа в нормоксических условиях. На основании этих данных можно сделать вывод о том, что парциальное напряжение кислорода в активной мышечной клетке не является ключевым фактором, активирующим гликолиз. В то же время опыты с гипоксией дают основание полагать, что парциальное давление кислорода в цитоплазме может модулировать активность гликолиза. Увеличение суммарного выхода лактата из мышцы, как в условиях нормоксии, так и в условиях гипоксии, регулируется, главным образом, активацией симпато-адреналовой системы. Это подтверждается сходной динамикой концентрации адреналина в артериальной крови и суммарного выхода лактата из рабочей мышцы. Влияние симпато-адреналовой системы на гликолиз подтверждается и рядом других работ, в которых исследовали изменения концентрации катехоламинов во время нагрузки, а также опытами с применением бета-блокаторов.

Среди других возможных кандидатов на роль активаторов гликолиза выделяют: АДФ, АМФ, неорганический фосфат, отношение креатин/фосфокреатин и цитоплазматический окислительно-востановительный потенциал (НАДН+/НАД+).

Суммируя результаты описанных исследований, можно сказать, что парциальное давление кислорода в цитоплазме мышечной клетки не опускается до критичного уровня даже при работе максимальной аэробной мощности. Это означает, что активность гликолиза в мышечном волокне во время работы не зависит от скорости аэробного ресинтеза АТФ или, по крайней мере, зависит не только от нее.

Читайте также

• Регуляция гликолиза и цикл Кребса
• Регуляция активности ферментов
• Окисление жирных кислот
• Анаэробное окисление глюкозы
• Аэробное окисление глюкозы