Пълно окисление на глюкозата. Реакция на окисляване на глюкозата

В тази статия ще разгледаме как става окисляването на глюкозата. Въглехидратите са съединения от полихидроксикарбонилен тип, както и техните производни. Типични признаци са наличието на алдехидни или кетонни групи и поне две хидроксилни групи.

По своята структура въглехидратите се подразделят 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 кетоза (рибулоза, фруктоза).

Олигозахариди

Олигозахаридите са въглехидрати, които съдържат от два до десет остатъка от монозахариден произход, свързани посредством гликозидни връзки. В зависимост от количеството остатъци от монозахариди се разграничават дизахариди, тризахариди и т.н. Какво се образува, когато глюкозата се окисли? Повече за това по-късно.

Полизахариди

Полизахаридите са въглехидрати, които съдържат повече от десет монозахаридни остатъка, свързани помежду си с гликозидни връзки. Ако полизахаридът съдържа същите монозахаридни остатъци, тогава той се нарича хомополизахарид (например нишесте). Ако такива остатъци са различни, тогава 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 окисление е удовлетворено повече от половината от енергийните нужди на човека. В резултат на окисляването на един грам въглехидрати се отделят 16,9 kJ.
Резерв. Гликогенът и нишестето са форма на съхранение на хранителни вещества.
Структурни. Целулозата и някои други полизахаридни съединения образуват силен гръбнак в растенията. Те също така, в комбинация с липиди и протеини, са съставна част на всички клетъчни биомембрани.
Защитни. За киселинните хетерополизахариди е отредена ролята на биологичен лубрикант. Те облицоват повърхностите на ставите, които се допират и трият една в друга, носната лигавица, храносмилателния тракт.
Антигоагулант. Въглехидрати като хепарин имат важно биологично свойство, а именно предотвратяват съсирването на кръвта.
Въглехидратите са източник на въглерод, необходим за синтеза на протеини, липиди и нуклеинови киселини.

За организма основният източник на въглехидрати са хранителните въглехидрати - захароза, нишесте, глюкоза, лактоза). Глюкозата може да се синтезира в самото тяло от аминокиселини, глицерол, лактат и пируват (глюконеогенеза).

Гликолизата е една от трите възможни форми на окисляване на глюкозата. В този процес се освобождава енергия, която впоследствие се съхранява в ATP и NADH. Една от молекулите му се разпада на две молекули пируват.

Процесът на гликолиза протича под действието на различни ензимни вещества, т.е. катализатори от биологично естество. Най-важният окислител е кислородът, но трябва да се отбележи, че процесът на гликолиза може да се извърши при липса на кислород. Този вид гликолиза се нарича анаеробна.

Анаеробната гликолиза е поетапен процес на окисляване на глюкозата. При тази гликолиза окисляването на глюкозата е непълно. По този начин, когато глюкозата се окисли, се образува само една молекула пируват. По отношение на енергийната печалба, анаеробната гликолиза е по-малко полезна от аеробната гликолиза. Ако обаче кислородът навлезе в клетката, тогава анаеробната гликолиза може да се превърне в аеробна гликолиза, която е пълното окисление на глюкозата.

Механизъм на гликолиза

В процеса на гликолиза, шест-въглеродната глюкоза се разпада на две молекули три-въглероден пируват. Целият процес е разделен на пет подготвителни етапа и още пет, през които енергията се съхранява в АТФ.

Така гликолизата протича на два етапа, всеки от които е разделен на пет етапа.

Етап No 1 от реакцията на окисляване на глюкозата

Първа стъпка. На първия етап настъпва фосфорилиране на глюкозата. Захаридът се активира чрез фосфорилиране при шестия въглероден атом.
Втора фаза. Извършва се изомеризация на глюкозо-6-фосфат. На този етап глюкозата се превръща във фруктоза-6-фосфат чрез каталитична фосфоглюкоизомераза.
Трети етап. Фосфорилиране на фруктоза-6-фосфат. На този етап образуването на фруктоза-1,6-дифосфат (наричана още алдолаза) става под въздействието на фосфофруктокиназа-1. Тя участва в акомпанимента на фосфорилната група от аденозин трифосфорната киселина до молекулата на фруктозата.
Четвърти етап. На този етап алдолазата се разцепва. В резултат на това се образуват две молекули триозен фосфат, по-специално кетоза и елдоза.
Пети етап. Изомеризация на триозни фосфати. На този етап глицералдехид-3-фосфатът се изпраща към следващите етапи на разграждане на глюкозата. Когато това се случи, преминаването 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 последващото й фосфорилиране до дифосфоглицерат-1,3.
Седми етап. Този етап включва трансфер на фосфатната група от 1,3-дифосфоглицерат към ADP. Крайният резултат от този етап е 3-фосфоглицерат и АТФ.

Етап 2 - пълно окисление на глюкозата

Осми 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 окисляване на глюкозата протича със задължителното присъствие на магнезий (Mg).
Девети етап. На този етап настъпва дехидратация на 2-фосфоглицерат.
Десети етап. Фосфатите, получени в резултат на предходните етапи, се прехвърлят в PEP и ADP. Фосфоеннулпатът се прехвърля в ADP. Тази химична реакция е възможна в присъствието на магнезиеви (Mg) и калиеви (K) йони.

При аеробни условия целият процес достига CO2 и H2O. Уравнението за окисляване на глюкозата изглежда така:

По този начин клетката не натрупва NADH по време на образуването на лактат от глюкоза. Това означава, че този процес е анаеробен и може да протича при липса на кислород. Именно кислородът е крайният акцептор на електрони, които се прехвърлят от NADH към дихателната верига.

В процеса на изчисляване на енергийния баланс на гликолитичната реакция е необходимо да се вземе предвид, че всеки етап от втория етап се повтаря два пъти. От това може да се заключи, че на първия етап се изразходват две молекули АТФ, а по време на втория етап се образуват 4 молекули АТФ чрез фосфорилиране от типа субстрат. Това означава, че в резултат на окисляването на всяка молекула глюкоза, клетката натрупва две молекули АТФ.

Разгледахме окисляването на глюкозата с кислород.

Анаеробен път на окисляване на глюкозата

Аеробното окисляване е процесът на окисление, при който се отделя енергия и който протича в присъствието на кислород, който действа като краен акцептор на водород във дихателната верига. Донорът на водородни молекули е редуцираната форма на коензими (FADH2, NADH, NADPH), които се образуват по време на междинна реакция на субстратното окисление.

Процесът на окисляване на глюкозата от аеробния дихотомен тип е основният път на катаболизма на глюкозата в човешкото тяло. Този вид гликолиза може да се появи във всички тъкани и органи на човешкото тяло. Резултатът от тази реакция е разделянето на молекулата на глюкозата във вода и въглероден диоксид. Освободената енергия ще се натрупва в АТФ. Този процес може грубо да бъде разделен на три етапа:

Процесът на превръщане на глюкозната молекула в двойка молекули на пировиноградна киселина. Реакцията протича в клетъчната цитоплазма и е специфичен път за разграждане на глюкозата.
Образуването на ацетил-КоА в резултат на окислително декарбоксилиране на пировиноградна киселина. Тази реакция протича в клетъчните митохондрии.
Процесът на окисление на ацетил-КоА в цикъла на Кребс. Реакцията протича в клетъчните митохондрии.

На всеки етап от този процес се образуват редуцирани форми на коензими, които се окисляват от ензимни комплекси на дихателната верига. В резултат на това по време на окислението на глюкозата се образува АТФ.

Образуване на коензими

Коензимите, които се образуват във втория и третия етап на аеробна 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 в митохондриалните мембрани. Водородът се прехвърля от цитоплазмен NADH в клетъчните митохондрии чрез цикъла на совалката. Сред такива цикли може да се разграничи основният - малат-аспартат.

След това с помощта на цитоплазмен NADH оксалоацетатът се редуцира до малат, който от своя страна прониква в клетъчните митохондрии и след това се окислява с намаляването на митохондриалния NAD. Оксалоацетатът се връща в цитоплазмата на клетката като аспартат.

Модифицирани форми на гликолиза

Курсът на гликолиза може допълнително да бъде придружен от освобождаването на 1,3 и 2,3-бисфосфоглицерати. В този случай 2,3-бисфосфоглицерат под въздействието на биологични катализатори може да се върне към процеса на гликолиза и след това да промени формата си на 3-фосфоглицерат. Тези ензими играят различни роли. Например, 2,3-бисфосфоглицерат, намиращ се в хемоглобина, насърчава трансфера на кислород в тъканите, като същевременно насърчава дисоциацията и намаляването на афинитета на кислорода и еритроцитите.

Заключение

Много бактерии могат да променят хода на гликолизата в 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 разлагат въглехидратите по други начини. Повечето термофили имат само два ензима за гликолиза, по-специално енолаза и пируват киназа.

Изследвахме как протича окисляването на глюкозата в тялото.