В тази статия ще разгледаме как се окислява глюкозата. Въглехидратите са съединения от полихидроксикарбониловия тип, както и техните производни. Характерни характеристики са наличието на алдехидни или кетонни групи и най-малко две хидроксилни групи.
Според структурата си въглехидратите се делят на монозахариди, полизахариди, олигозахариди.
Монозахариди
Монозахаридите са най-простите въглехидрати, които не могат да бъдат хидролизирани. В зависимост от това коя група присъства в състава - алдехид или кетон, се изолират алдози (те включват галактоза, глюкоза, рибоза) и кетози (рибулоза, фруктоза).
Олигозахариди
Олигозахаридите са въглехидрати, които имат в състава си от два до десет остатъка от монозахариден произход, свързани с гликозидни връзки. В зависимост от броя на монозахаридните остатъци се разграничават дизахариди, тризахариди и т.н. Какво се образува при окисляване на глюкозата? Това ще бъде обсъдено по-късно.
Полизахариди
Полизахаридиса въглехидрати, които съдържат повече от десет монозахаридни остатъка, свързани помежду си с гликозидни връзки. Ако съставът на полизахарида съдържа същите монозахаридни остатъци, тогава той се нарича хомополизахарид (например нишесте). Ако такива остатъци са различни, тогава с хетерополизахарид (например хепарин).
Какво е значението на окисляването на глюкозата?
Функции на въглехидратите в човешкото тяло
Въглехидратите изпълняват следните основни функции:
- Енергия. Най-важната функция на въглехидратите, тъй като те служат като основен източник на енергия в тялото. В резултат на тяхното окисляване се задоволяват повече от половината от енергийните нужди на човек. В резултат на окисляването на един грам въглехидрати се освобождават 16,9 kJ.
- Резервирайте. Гликогенът и нишестето са форма за съхранение на хранителни вещества.
- Структурни. Целулозата и някои други полизахаридни съединения образуват здрава рамка в растенията. Освен това те, в комбинация с липиди и протеини, са компонент на всички клетъчни биомембрани.
- Защитен. Киселинните хетерополизахариди играят ролята на биологичен лубрикант. Те покриват повърхностите на ставите, които се допират и трият една в друга, лигавиците на носа, храносмилателния тракт.
- Антикоагулант. Въглехидрат като хепарин има важно биологично свойство, а именно, предотвратява съсирването на кръвта.
- Въглехидратите са източник на въглерод, необходим за синтеза на протеини, липиди и нуклеинови киселини.
За организма основният източник на въглехидрати са диетичните въглехидрати - захароза, нишесте, глюкоза, лактоза). Глюкозата може да се синтезира в самия организъм от аминокиселини, глицерол, лактат и пируват (глюконеогенеза).
Гликолиза
Гликолизата е една от трите възможни форми на процеса на окисление на глюкозата. При този процес се освобождава енергия, която впоследствие се съхранява в ATP и NADH. Една от неговите молекули се разпада на две молекули пируват.
Процесът на гликолиза протича под действието на различни ензимни вещества, тоест катализатори от биологично естество. Най-важният окислител е кислородът, но си струва да се отбележи, че процесът на гликолиза може да се извърши при липса на кислород. Този тип гликолиза се нарича анаеробна.
Анаеробната гликолиза е поетапен процес на окисление на глюкозата. При тази гликолиза окисляването на глюкозата не настъпва напълно. Така по време на окисляването на глюкозата се образува само една молекула пируват. По отношение на енергийните ползи, анаеробната гликолиза е по-малко полезна от аеробната. Въпреки това, ако кислородът навлезе в клетката, тогава анаеробната гликолиза може да се превърне в аеробна, което представлява пълно окисление на глюкозата.
Механизъм на гликолиза
Гликолизата разгражда шествъглеродната глюкоза на две молекули тривъглероден пируват. Целият процес е разделен на пет подготвителни етапа и още пет, по време на които се съхранява АТФенергия.
По този начин гликолизата протича на два етапа, всеки от които е разделен на пет етапа.
Етап 1 на реакцията на окисление на глюкоза
- Първи етап. Първата стъпка е фосфорилирането на глюкозата. Активирането на захарида става чрез фосфорилиране при шестия въглероден атом.
- Втори етап. Има процес на изомеризация на глюкозо-6-фосфат. На този етап глюкозата се превръща във фруктоза-6-фосфат чрез каталитична фосфоглюкоизомераза.
- Трети етап. Фосфорилиране на фруктозо-6-фосфат. На този етап образуването на фруктозо-1,6-дифосфат (наричан още алдолаза) става под влияние на фосфофруктокиназа-1. Той участва в придружаването на фосфорилната група от аденозин трифосфорната киселина до молекулата на фруктоза.
- Четвъртият етап. На този етап настъпва разцепването на алдолазата. В резултат на това се образуват две триозни фосфатни молекули, по-специално кетози и елдози.
- Петият етап. Изомеризация на триозни фосфати. На този етап глицералдехид-3-фосфатът се изпраща към следващите етапи на разграждане на глюкозата. В този случай настъпва преходът на дихидроксиацетон фосфат във формата на глицералдехид-3-фосфат. Този преход се осъществява под действието на ензими.
- Шести етап. Процесът на окисление на глицералдехид-3-фосфат. На този етап молекулата се окислява и след това се фосфорилира до дифосфоглицерат-1, 3.
- Седми етап. Тази стъпка включва прехвърляне на фосфатната група от 1,3-дифосфоглицерат към ADP. Крайният резултат от тази стъпка е 3-фосфоглицерати ATP.
Етап 2 - пълно окисление на глюкозата
- Осмият етап. На този етап се извършва преходът на 3-фосфоглицерат към 2-фосфоглицерат. Процесът на преход се осъществява под действието на ензим като фосфоглицерат мутаза. Тази химическа реакция на окисление на глюкоза протича със задължителното присъствие на магнезий (Mg).
- Деветият етап. На този етап настъпва дехидратация на 2-фосфоглицерат.
- Десети етап. Има прехвърляне на фосфати, получени в резултат на предишните стъпки в PEP и ADP. Фосфоенулпироватът се прехвърля в ADP. Такава химическа реакция е възможна в присъствието на магнезиеви (Mg) и калиеви (K) йони.
При аеробни условия целият процес стига до CO2 и H2O. Уравнението за окисляване на глюкозата изглежда така:
S6N12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O + 2880 kJ/mol.
По този начин няма натрупване на NADH в клетката по време на образуването на лактат от глюкоза. Това означава, че такъв процес е анаеробен и може да протича при липса на кислород. Кислородът е последният акцептор на електрони, който се прехвърля от NADH към дихателната верига.
В процеса на изчисляване на енергийния баланс на гликолитичната реакция трябва да се има предвид, че всяка стъпка от втория етап се повтаря два пъти. От това можем да заключим, че две молекули АТФ се изразходват в първия етап, а 4 АТФ молекули се образуват по време на втория етап чрез фосфорилиране.тип субстрат. Това означава, че в резултат на окисляването на всяка молекула глюкоза, клетката натрупва две молекули АТФ.
Разгледахме окисляването на глюкозата с кислород.
Път на анаеробно окисление на глюкозата
Аеробното окисление е окислителен процес, при който се освобождава енергия и който протича в присъствието на кислород, който действа като краен акцептор на водорода в дихателната верига. Донорът на водородни молекули е редуцираната форма на коензими (FADH2, NADH, NADPH), които се образуват по време на междинната реакция на окисление на субстрата.
Аеробният дихотомен тип процес на окисление на глюкоза е основният път на глюкозния катаболизъм в човешкото тяло. Този вид гликолиза може да се извърши във всички тъкани и органи на човешкото тяло. Резултатът от тази реакция е разделянето на глюкозната молекула на вода и въглероден диоксид. След това освободената енергия ще се съхранява в АТФ. Този процес може да бъде грубо разделен на три етапа:
- Процесът на преобразуване на молекула глюкоза в двойка молекули на пирогроздена киселина. Реакцията протича в клетъчната цитоплазма и е специфичен път за разграждане на глюкозата.
- Процесът на образуване на ацетил-КоА в резултат на окислително декарбоксилиране на пирогроздена киселина. Тази реакция протича в клетъчните митохондрии.
- Процесът на окисление на ацетил-КоА в цикъла на Кребс. Реакцията протича в клетъчни митохондрии.
На всеки етап от този процес,редуцирани форми на коензими, окислени от ензимни комплекси на дихателната верига. В резултат на това се образува АТФ, когато глюкозата се окисли.
Образуване на коензими
Коензимите, които се образуват на втория и третия етап на аеробната гликолиза, ще се окисляват директно в митохондриите на клетките. Успоредно с това, NADH, който се образува в клетъчната цитоплазма по време на реакцията на първия етап на аеробна гликолиза, няма способността да прониква през митохондриалните мембрани. Водородът се прехвърля от цитоплазмената NADH към клетъчните митохондрии чрез совалкови цикли. Сред тези цикли може да се различи основният - малат-аспартат.
След това, с помощта на цитоплазмената NADH, оксалоацетатът се редуцира до малат, който от своя страна навлиза в клетъчните митохондрии и след това се окислява, за да намали митохондриалния NAD. Оксалоацетатът се връща в клетъчната цитоплазма като аспартат.
Модифицирани форми на гликолиза
Гликолизата може допълнително да бъде придружена от освобождаване на 1, 3 и 2, 3-бифосфоглицерати. В същото време 2,3-бифосфоглицератът под въздействието на биологични катализатори може да се върне в процеса на гликолиза и след това да промени формата си на 3-фосфоглицерат. Тези ензими играят различни роли. Например, 2,3-бифосфоглицерат, открит в хемоглобина, насърчава преноса на кислород към тъканите, като същевременно допринася за дисоциацията и намаляването на афинитета на кислорода и червените кръвни клетки.
Заключение
Много бактерии могат да променят формата на гликолизата на различните й етапи. В този случай е възможно да се намали общият им брой или да се модифицират тези етапи в резултат на действието на различни ензимни съединения. Някои от анаеробите имат способността да разграждат въглехидратите по други начини. Повечето термофили имат само два гликолитични ензима, по-специално енолаза и пируват киназа.
Разгледахме как глюкозата се окислява в тялото.
