Как видно из вышеизложенного, превращение глюкозы в молочную кислоту имеет ряд особенностей. Во-первых, процесс расщепления спряжений с фосфорилированием глюкозы и образованных промежуточных продуктов.
Во-вторых, в процессе окисления происходит поэтапное освобождение энергии из субстратов и поэтапное ее усвоения. В-третьих, энергия гликолиза резервируется в молекулах АТФ. В-четвертых, реакции переэтерификации (т.е. переноса фосфата из субстрата на АДФ) обусловлены окислительно-восстановительным процессом. Так, в случае блокирования реакции восстановления пировиноградной кислоты в молочную за счет атомов водорода НАДПН + Н + не могла бы состояться регенерация НАД +, который необходим для окисления глицеральдегид-3-фосфата в фосфоглицеринову кислоту, а это задержало бы метаболизм углеводов и освобождение энергии. Эта окислительно-восстановительная реакция играет важную роль и в гликолизе, и в брожении.
Большое значение имеет реакция отщепления молекулы воды от 2-фосфоглицериновои кислоты ферментом еноилгидратазою (енолазна реакция), потому что благодаря этому образуется енольна форма 2-фосфо-пировиноградной кислоты, т.е. другое соединение, в котором концентрируется энергия гликолиза и переносится вместе с остатком фосфорной кислоты на АДФ с превращением ее в АТФ.
Биологическое значение гликолиза обусловлено не только тем, что он является источником (правда, не единственным) энергии для организма, особенно для работающей мышечной системы. Существенным является то, что в процессе гликолиза образуются вещества, которые используются в организме для биосинтеза простых и сложных липидов. Таким веществом является дигидроксиацетонфосфат, который восстанавливается до глице-ринфосфату. Наконец, значение гликолиза заключается в том, что ряд его продуктов, а именно пировиноградная и молочная кислоты, необходимо субстратом для дальнейших ферментативных преобразований в аэробных условиях, поскольку лишь небольшая часть энергии, содержащейся в глюкозе, освобождается при ее анаэробного преобразования в лактат. Значительно большее количество энергии образуется в аэробных условиях в цикле трикарбоновых кислот и в цепи переноса электронов. При этом в организме млекопитающих и человека освобождается примерно 95% энергии углеводов.
Пируват может превращаться в этанол, лактат и ацетил-коэнзим А.
Последовательность реакций превращения глюкозы в пировиноградную кислоту - пируват - очень похожи у всех организмов и во всех видах клеток.
В то же время судьба пирувата в разных клетках и в зависимости от условий разная.
Рассмотрим три реакции, протекающие с участием пирувата.
1. Образования этанола. Процесс превращения глюкозы в этанол у дрожжей и других микроорганизмов получил название спиртового брожения. Разница между гликолизом и спиртовым брожением состоит в том, что в условиях брожения пировиноградная кислота подвергается простого анаэробного декарбоксилирования результате действия фермента пируватдекарбоксилазы и превращается в ацетальде-гид. Пируватдекарбоксилазы - сложный фермент, который содержит кофермент тиаминпирофосфат - пирофосфорной эфир витамина В1. В тканях человека и животных простое анаэробное декарбоксилирование пирувата не происходит, а имеет место только сложное окислительное декарбоксилирование в аэробных условиях с образованием активной формы уксусной кислоты.
Вторая стадия заключается в восстановлении ацетальдегида в этанол за счет НАДрН + Н +. Эта окислительно-восстановительная реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой, которого в активном центре ион цинка. 2. С пирувата образуется лактат в клетках высших организмов в условиях ограниченного снабжения кислорода (например, у интенсивно работающей мышце). Как было показано выше, восстановление пирувата с образованием лактата происходит за счет НАД ^ Н + Н + и катализируется лактатдегидрогеназы. НАДРН + Н + образуется в результате окисления гли-церальдегид-3-фосфата с образованием 3-фосфоглицериновои кислоты и используется при восстановлении пирувата. Именно регенерации НАД + при восстановлении пирувата в лактат поддерживает в анаэробных условиях непрерывное протекание гликолитического процесса.
3. Пируват в аэробных условиях претерпевает окислительного декарбо-ксилювання под влиянием сложного полиферментные пируватде-гидрогеназного комплекса и превращается в активную форму уксусной кислоты - ацетилкоензим А (ацетил-КоА), который образуется в митохондриях.
Ацетилкоензим А дальше включается в окислительный цикл три-карбоновых кислот, в котором окисляется до конечных продуктов, т.е. до СО2 и Н2О (см. Обмен веществ и энергии). Кроме того, он используется для биосинтеза различных соединений, например, высших жирных кислот, холестерина и др..
Следует иметь в виду, что накопление молочной кислоты может негативно влиять на организм, в частности, уменьшать сокращения мышц. Таким образом, окисление ее в аэробной фазе, т.е. в условиях дыхания, не только освобождает основную массу энергии углеводов, но и является одним из главных механизмов, участвующих в поддержании гомеостаза. При достаточной обеспеченности кислородом атома водорода восстановленного НАД (НАДрН + Н +) перехватываются ферментами дыхания и через ряд промежуточных продуктов переносятся на кислород, образуя воду. В этих условиях пируват не восстанавливается в молочную кислоту, а аэробная расщепление углеводов начинается с его окислительного декарбоксилирования.
Процесс переноса атомов водорода (протонов и электронов) на кислород происходит уже на мембранах митохондрий, где локализованы соответствующие ферменты. Таким образом, в данном случае как и во многих других, существует сочетание процессов, протекающих в цитозоле и митохондриях, а также их определенная последовательность. Механизм окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты и окисления образовавшегося ацетил-КоА до Н2О и СО2 подробно рассматриваются в главе «Обмен веществ и энергии».