W tym artykule przyjrzymy się utlenianiu glukozy. Węglowodany to związki typu polihydroksykarbonylowego, a także ich pochodne. Cechami charakterystycznymi jest obecność grup aldehydowych lub ketonowych oraz co najmniej dwóch grup hydroksylowych.
Według struktury węglowodany dzielą się na monosacharydy, polisacharydy, oligosacharydy.
Monosacharydy
Monosacharydy to najprostsze węglowodany, których nie można zhydrolizować. W zależności od tego, jaka grupa występuje w kompozycji – aldehyd czy keton, wyodrębnia się aldozy (są to galaktoza, glukoza, ryboza) oraz ketozy (rybuloza, fruktoza).
Oligosacharydy
Oligosacharydy to węglowodany, które mają w swoim składzie od dwóch do dziesięciu reszt pochodzenia monosacharydowego, połączonych wiązaniami glikozydowymi. W zależności od liczby reszt monosacharydowych rozróżnia się disacharydy, trisacharydy i tak dalej. Co powstaje, gdy glukoza jest utleniana? Zostanie to omówione później.
Polisacharydy
Polisacharydyto węglowodany, które zawierają więcej niż dziesięć reszt monosacharydowych połączonych wiązaniami glikozydowymi. Jeśli skład polisacharydu zawiera te same reszty monosacharydowe, nazywa się go homopolisacharydem (na przykład skrobią). Jeśli takie reszty są różne, to z heteropolisacharydem (na przykład heparyną).
Jakie jest znaczenie utleniania glukozy?
Funkcje węglowodanów w organizmie człowieka
Węglowodany spełniają następujące główne funkcje:
- Energia. Najważniejsza funkcja węglowodanów, ponieważ służą one jako główne źródło energii w organizmie. W wyniku ich utleniania zaspokajana jest ponad połowa potrzeb energetycznych człowieka. W wyniku utlenienia jednego grama węglowodanów uwalniane jest 16,9 kJ.
- Zarezerwuj. Glikogen i skrobia są formą magazynowania składników odżywczych.
- Strukturalne. Celuloza i niektóre inne związki polisacharydowe tworzą silny szkielet w roślinach. Ponadto, w połączeniu z lipidami i białkami, są składnikiem wszystkich biobłon komórkowych.
- Ochrona. Kwaśne heteropolisacharydy pełnią rolę biologicznego smaru. Wyścielają powierzchnie stawów, które stykają się i ocierają o siebie, błony śluzowe nosa, przewód pokarmowy.
- Antykoagulant. Węglowodany, takie jak heparyna, mają ważną właściwość biologiczną, a mianowicie zapobiegają krzepnięciu krwi.
- Węglowodany są źródłem węgla niezbędnego do syntezy białek, lipidów i kwasów nukleinowych.
Dla organizmu głównym źródłem węglowodanów są węglowodany w diecie – sacharoza, skrobia, glukoza, laktoza). Glukoza może być syntetyzowana w organizmie z aminokwasów, glicerolu, mleczanu i pirogronianu (glukoneogeneza).
Glikoliza
Glikoliza jest jedną z trzech możliwych form procesu utleniania glukozy. W procesie tym uwalniana jest energia, która jest następnie magazynowana w ATP i NADH. Jedna z jego cząsteczek rozpada się na dwie cząsteczki pirogronianu.
Proces glikolizy zachodzi pod wpływem działania różnych substancji enzymatycznych, czyli katalizatorów o charakterze biologicznym. Najważniejszym środkiem utleniającym jest tlen, jednak warto zauważyć, że proces glikolizy może przebiegać bez obecności tlenu. Ten rodzaj glikolizy nazywa się beztlenową.
Glikoliza typu beztlenowego to stopniowy proces utleniania glukozy. Przy tej glikolizie utlenianie glukozy nie zachodzi całkowicie. Tak więc podczas utleniania glukozy powstaje tylko jedna cząsteczka pirogronianu. Pod względem korzyści energetycznych glikoliza beztlenowa jest mniej korzystna niż tlenowa. Jeśli jednak tlen dostanie się do komórki, glikoliza beztlenowa może zostać przekształcona w tlenową, co oznacza całkowite utlenienie glukozy.
Mechanizm glikolizy
Glikoliza rozkłada sześciowęglową glukozę na dwie cząsteczki trójwęglowego pirogronianu. Cały proces podzielony jest na pięć etapów przygotowawczych i pięć kolejnych, podczas których ATP jest magazynowaneenergia.
Tak więc glikoliza przebiega w dwóch etapach, z których każdy jest podzielony na pięć etapów.
Etap 1 reakcji utleniania glukozy
- Pierwszy etap. Pierwszym krokiem jest fosforylacja glukozy. Aktywacja sacharydu następuje poprzez fosforylację na szóstym atomie węgla.
- Drugi etap. Zachodzi proces izomeryzacji glukozo-6-fosforanu. Na tym etapie glukoza jest przekształcana do fruktozo-6-fosforanu przez katalityczną fosfoglukoizomerazę.
- Trzeci etap. Fosforylacja fruktozo-6-fosforanu. Na tym etapie pod wpływem fosfofruktokinazy-1 zachodzi tworzenie fruktozo-1,6-difosforanu (nazywanego również aldolazą). Bierze udział w towarzyszeniu grupie fosforylowej z kwasu adenozynotrifosforowego do cząsteczki fruktozy.
- Czwarty etap. Na tym etapie następuje rozszczepienie aldolazy. W efekcie powstają dwie cząsteczki fosforanu triozy, w szczególności ketozy i eldozy.
- Piąty etap. Izomeryzacja fosforanów triozy. Na tym etapie 3-fosforan gliceraldehydu jest przesyłany do kolejnych etapów rozkładu glukozy. W tym przypadku następuje przejście fosforanu dihydroksyacetonu do postaci 3-fosforanu aldehydu glicerynowego. To przejście odbywa się pod wpływem enzymów.
- Szósty etap. Proces utleniania 3-fosforanu aldehydu glicerynowego. Na tym etapie cząsteczka jest utleniana, a następnie fosforylowana do difosfoglicerynianu-1, 3.
- Siódmy etap. Ten etap obejmuje przeniesienie grupy fosforanowej z 1,3-difosfoglicerynianu do ADP. Efektem końcowym tego etapu jest 3-fosfogliceryniani ATP.
Etap 2 – całkowite utlenienie glukozy
- Ósmy etap. Na tym etapie przeprowadza się przemianę 3-fosfoglicerynianu w 2-fosfoglicerynian. Proces przejścia odbywa się pod działaniem enzymu, takiego jak mutaza fosfoglicerynianowa. Ta chemiczna reakcja utleniania glukozy przebiega z obowiązkową obecnością magnezu (Mg).
- Dziewiąty etap. Na tym etapie następuje odwodnienie 2-fosfoglicerynianu.
- Dziesiąty etap. Następuje transfer fosforanów uzyskanych w wyniku poprzednich etapów do PEP i ADP. Fosfoenulpirogronian zostaje przeniesiony do ADP. Taka reakcja chemiczna jest możliwa w obecności jonów magnezu (Mg) i potasu (K).
W warunkach tlenowych cały proces dochodzi do CO2 i H2O. Równanie utleniania glukozy wygląda tak:
S6N12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O + 2880 kJ/mol.
W ten sposób nie dochodzi do akumulacji NADH w komórce podczas tworzenia mleczanu z glukozy. Oznacza to, że taki proces jest beztlenowy i może przebiegać przy braku tlenu. To tlen jest ostatecznym akceptorem elektronów, który jest przenoszony przez NADH do łańcucha oddechowego.
W procesie obliczania bilansu energetycznego reakcji glikolitycznej należy wziąć pod uwagę, że każdy etap drugiego etapu jest powtarzany dwukrotnie. Z tego możemy wywnioskować, że dwie cząsteczki ATP są zużywane na pierwszym etapie, a 4 cząsteczki ATP powstają podczas drugiego etapu przez fosforylację.rodzaj podłoża. Oznacza to, że w wyniku utleniania każdej cząsteczki glukozy w komórce akumulowane są dwie cząsteczki ATP.
Przyjrzeliśmy się utlenianiu glukozy przez tlen.
Ścieżka beztlenowego utleniania glukozy
Utlenianie tlenowe to proces utleniania, w którym uwalniana jest energia i zachodzi w obecności tlenu, który działa jako końcowy akceptor wodoru w łańcuchu oddechowym. Donorem cząsteczek wodoru jest zredukowana forma koenzymów (FADH2, NADH, NADPH), które powstają podczas pośredniej reakcji utleniania substratu.
Tenowy proces utleniania glukozy typu dychotomicznego jest główną ścieżką katabolizmu glukozy w ludzkim ciele. Ten rodzaj glikolizy można przeprowadzić we wszystkich tkankach i narządach ludzkiego ciała. Wynikiem tej reakcji jest rozszczepienie cząsteczki glukozy na wodę i dwutlenek węgla. Uwolniona energia zostanie następnie zmagazynowana w ATP. Ten proces można z grubsza podzielić na trzy etapy:
- Proces przekształcania cząsteczki glukozy w parę cząsteczek kwasu pirogronowego. Reakcja zachodzi w cytoplazmie komórki i jest specyficznym szlakiem rozkładu glukozy.
- Proces powstawania acetylo-CoA w wyniku oksydacyjnej dekarboksylacji kwasu pirogronowego. Ta reakcja zachodzi w mitochondriach komórkowych.
- Proces utleniania acetylo-CoA w cyklu Krebsa. Reakcja zachodzi w mitochondriach komórkowych.
Na każdym etapie tego procesuzredukowane formy koenzymów utlenione przez kompleksy enzymatyczne łańcucha oddechowego. W rezultacie podczas utleniania glukozy powstaje ATP.
Tworzenie koenzymów
Koenzymy, które powstają w drugim i trzecim etapie glikolizy tlenowej, będą utleniane bezpośrednio w mitochondriach komórek. Równolegle z tym NADH, który powstał w cytoplazmie komórki podczas reakcji pierwszego etapu glikolizy tlenowej, nie ma zdolności przenikania przez błony mitochondrialne. Wodór jest przenoszony z cytoplazmatycznego NADH do mitochondriów komórkowych za pomocą cykli wahadłowych. Wśród tych cykli można wyróżnić główny - jabłczan-asparaginian.
Następnie, za pomocą cytoplazmatycznego NADH, szczawiooctan jest redukowany do jabłczanu, który z kolei dostaje się do mitochondriów komórkowych, a następnie jest utleniany, aby zredukować mitochondrialny NAD. Szczawiooctan powraca do cytoplazmy komórki jako asparaginian.
Zmodyfikowane formy glikolizy
Glikolizie może dodatkowo towarzyszyć uwalnianie 1, 3 i 2,3-bifosfoglicerynianów. Jednocześnie 2,3-bifosfoglicerynian pod wpływem katalizatorów biologicznych może powrócić do procesu glikolizy, a następnie zmienić swoją postać na 3-fosfoglicerynian. Enzymy te odgrywają różne role. Na przykład 2,3-bifosfoglicerynian, znajdujący się w hemoglobinie, sprzyja przenoszeniu tlenu do tkanek, jednocześnie przyczyniając się do dysocjacji i zmniejszenia powinowactwa tlenu i czerwonych krwinek.
Wniosek
Wiele bakterii może zmieniać formę glikolizy na różnych jej etapach. W takim przypadku możliwe jest zmniejszenie ich całkowitej liczby lub modyfikacja tych etapów w wyniku działania różnych związków enzymatycznych. Niektóre beztlenowce mają zdolność rozkładania węglowodanów na inne sposoby. Większość termofilów ma tylko dwa enzymy glikolityczne, w szczególności kinazę enolazy i pirogronianu.
Przyjrzeliśmy się, jak glukoza jest utleniana w organizmie.
