Полное окисление глюкозы. реакция окисления глюкозы

Образование коферментов

Коферменты, которые образуются на втором и третьем этапе аэробного гликолиза, будут окисляться непосредственно в митохондриях клеток. Параллельно с этим НАДН, которой образовался в клеточной цитоплазме при протекании реакции первого этапа аэробного гликолиза, не имеет способности к проникновению сквозь мембраны митохондрий. Водород переносится с цитоплазматического НАДН в клеточные митохондрии посредством челночных циклов. Среди таких циклов можно выделить основной – малат-аспартатный.

Затем при помощи цитоплазматического НАДН происходит восстановление оксалоацетата в малат, который, в свою очередь, проникает в клеточную митохондрию и затем окисляется с восстановлением митохондриальной НАД. Оксалоацетат возвращается в цитоплазму клетки в виде аспартата.

Функции углеводов в организме человека

Углеводы выполняют следующие основные функции:

Энергетическая. Самая главная функция углеводов, так как они служат основным источником энергии в организме. В результате их окисления удовлетворяется более половины энергетической потребности человека. В результате окисления одного грамма углеводов высвобождается 16,9 кДж.
Резервная. Гликоген и крахмал являются формой накопления питательных веществ.
Структурная. Целлюлоза и некоторые другие полисахаридные соединения образуют в растениях прочный остов. Также они, в комплексе с липидами и белками, являются составляющей всех клеточных биомембран.
Защитная. Для кислых гетерополисахаридов отведена роль биологического смазочного материала. Они выстилают поверхности суставов, которые соприкасаются и трутся друг об друга, слизистые носа, пищеварительных путей.
Антигоагулянтная

Такой углевод, как гепарин, имеет важное биологическое свойство, а именно – препятствует свертыванию крови.
Углеводы представляют собой источник углерода, необходимый для синтеза белков, липидов и нуклеиновых кислот.

Для организма главным источником углеводов являются пищевые углеводы – сахароза, крахмал, глюкоза, лактоза). Глюкоза может быть синтезирована в самом организме из аминокислот, глицерина, лактата и пирувата (глюконеогенез).

Что такое анаэробное дыхание

Анаэробное дыхание представляет собой тип клеточного дыхания, которое происходит в отсутствие кислорода. Это происходит так же, как и аэробное дыхание. Анаэробное дыхание начинается с гликолиза, как процесс ферментации, но не останавливается от гликолиза, как ферментация. После производства ацетилкофермента А анаэробное дыхание продолжает цикл лимонной кислоты, а также цепь переноса электронов.

Рисунок 2: Метаногенные бактерии

Конечный акцептор электронов не является молекулярным кислородом, как при аэробном дыхании. Различные типы организмов используют различные типы конечных акцепторов электронов. Это могут быть сульфат-ионы, нитрат-ионы или диоксид углерода. Метаногенные бактерии являются одним из таких типов организмов, которые используют углекислый газ в качестве конечного акцептора электронов в отсутствие кислорода. Они производят газообразный метан как побочный продукт. Некоторые метаногенные бактерии показаны в фигура 2. 

Превращение фруктозы

В целом переход фруктозы в глюкозу осуществляется по двум направлениям.  Сначала происходит активация фруктозы посредством фосфорилирования либо 6-го атома углерода при участии  гексокиназы, либо 1-го атома при участии фруктокиназы.

В печени имеются оба фермента, однако гексокиназа имеет гораздо более низкое сродство к фруктозе и в ней этот путь слабо выражен. Образованный ею фруктозо-6-фосфат далее изомеризуется и глюкозо-6-фосфатаза отщепляет уже ненужный фосфат с получением глюкозы.

Если работает фруктокиназа, то образуется фруктозо-1-фосфат, под действием соответствующей альдолазы он превращается в глицеральдегид и диоксиацетонфосфат. Глицеральдегид фосфорилируется до глицеральдегидфосфата и вместе с диоксиацетонфосфатом они в дальнейших реакциях либо используются в гликолизе, либо в реакциях глюконеогенеза превращаются в фруктозо-6-фосфат и далее в глюкозу.

Особенностью мышц является отсутствие фруктокиназы, поэтому фруктоза в них превращается сразу в фруктозо-6-фосфат и поступает в реакции гликолиза или синтеза гликогена.

Пути метаболизма фруктозы и ее превращение в глюкозу

Особенностью метаболизма фруктозы является то, что фермент фруктокиназа является инсулин-независимым. В результате превращение фруктозы в пировиноградную кислоту и ацетил-SКоА происходит быстрее, чем для глюкозы. Это объясняется «игнорированием» лимитирующей реакции метаболизма глюкозы, катализируемой фосфофруктокиназой. Дальнейший метаболизм ацетил-SКоА в данном случае может привести к избыточному образованию жирных кислот и триацилглицеролов.

Эссенциальная фруктозурия

Генетический дефект фруктокиназы приводит к доброкачественной эссенциальной фруктозурии, протекающей безо всяких отрицательных симптомов.

Наследственная фруктозурия

Заболевание формируется вследствие наследственных аутосомно-рецессивных дефектов других ферментов обмена фруктозы. Частота 1:20000.

Дефект фруктозо-1-фосфатальдолазы, которая в норме присутствует в печени, кишечнике и корковом веществе почек, проявляется после введения в рацион младенца соков и фруктов, содержащих фруктозу. 

Патогенез связан со снижением мобилизации гликогена из-за ингибирования гликогенфосфорилазы фруктозо-1-фосфатом и ослаблением глюконеогенеза, т.к. дефектный фермент способен участвовать в реакциях аналогично фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазе. Проявляется заболевание снижением концентрации фосфатов в крови, гиперфруктоземией, тяжелой гипогликемией. Отмечается вялость, нарушения сознания, почечный канальцевый ацидоз. 

Диагноз ставится исходя из «непонятного» заболевания печени, гипофосфатемии, гиперурикемии, гипогликемии и фруктозурии. Для подтверждения проводят тест толерантности к фруктозе. Лечение включает диету с ограничением сладостей, фруктов, овощей.

Дефект фруктозо-1,6-дифосфатазы проявляется сходно с предыдущим, но не так тяжело.

Сравнительная таблица

Ферментация

Когда молекулы сахара (прежде всего глюкоза, фруктоза и сахароза) разрушаются при анаэробном дыхании, производимый ими пируват остается в клетке. Без кислорода пируват не полностью катализируется для высвобождения энергии. Вместо этого элемент использует более медленный процесс для удаления водородных носителей, создавая различные отходы. Этот более медленный процесс называется брожением. Когда дрожжи используются для анаэробного расщепления сахаров, отходами являются спирт и CO2. Удаление CO2 оставляет этанол, основу для алкогольных напитков и топлива. Фрукты, сахаристые растения (например, сахарный тростник) и зерна используются для ферментации с дрожжами или бактериями в качестве анаэробных процессоров. При выпечке выброс СО2 в результате брожения вызывает рост хлеба и других хлебобулочных изделий.

Стадия №1 реакции окисления глюкозы

• Первый этап. На первом этапе происходит фосфорилирование глюкозы. Активирование сахарида происходит путем фосфолирирования по шестому углеродному атому.
• Второй этап. Происходит процесс изомеризации глюкозы-6-фосфата. На данном этапе глюкоза обращается во фруктозу-6-фосфат под действием каталитического фосфоглюкоизомераза.
• Третий этап. Фосфорилирование фруктозы-6-фосфата. На данном этапе происходит образование фруктозо-1,6-дифосфата (называемого также альдолазой) под воздействием фосфофруктокиназы-1. Она участвует в сопровождении фосфорильной группы от аденозинтрифосфорной кислоты до молекулы фруктозы.
• Четвертый этап. На данном этапе происходит расщепление альдолазы. В результате образуются две молекулы триозофосфата, в частности кетозы и эльдозы.
• Пятый этап. Изомеризация триозофосфатов. На данном этапе происходит отправка глицеральдегид-3-фосфата на следующие этапы глюкозного расщепления. При этом происходит переход дигидроксиацетонфосфата в форму глицеральдегид-3-фосфата. Данный переход осуществляется под действием ферментов.
• Шестой этап. Процесс окисления глицеральдегид-3-фосфата. На данном этапе происходит окисление молекулы и ее последующее фосфорилирование до дифосфоглицерата-1,3.
• Седьмой этап. Данный этап предполагает перенос из 1,3-дифосфоглицерата фосфатной группы на АДФ. В конечном результате этого этапа образуется 3-фосфоглицерат и АТФ.

Цикл Кребса

Цикл Кребса также известен как цикл лимонной кислоты и цикл трикарбоновых кислот (ТСА). Цикл Кребса является ключевым производящим энергию процессом в большинстве многоклеточных организмов. Наиболее распространенная форма этого цикла использует глюкозу в качестве источника энергии.

Во время процесса, известного как гликолиз, клетка превращает глюкозу, 6-углеродную молекулу, в две 3-углеродные молекулы, называемые пируватами. Эти два пирувата высвобождают электроны, которые затем объединяются с молекулой, называемой NAD +, с образованием NADH и двух молекул аденозинтрифосфата (АТФ).

Эти молекулы АТФ являются истинным «топливом» для организма и превращаются в энергию, в то время как молекулы пирувата и НАДН попадают в митохондрии. Вот где 3-углеродные молекулы распадаются на 2-углеродные молекулы, называемые ацетил-КоА и СО2. В каждом цикле ацетил-КоА расщепляется и используется для восстановления углеродных цепей, высвобождения электронов и, следовательно, для генерирования большего количества АТФ. Этот цикл является более сложным, чем гликолиз, и он также может расщеплять жиры и белки для получения энергии.

Как только доступные свободные молекулы сахара истощаются, цикл Кребса в мышечной ткани может начать разрушать жировые молекулы и белковые цепи, чтобы питать организм. Хотя расщепление жировых молекул может быть положительным преимуществом (снижение веса, снижение уровня холестерина), если их довести до избыточного количества, это может нанести вред организму (организму требуется немного жира для защиты и химических процессов). Напротив, разрушение белков организма часто является признаком голодания.

Гликолиз

Гликолиз представляет собой одну из трех возможных форм процесса окисления глюкозы. В этом процессе происходит выделение энергии, запасаемой впоследствии в АТФ и НАДН. Одна ее молекула распадается на две молекулы пирувата.

Процесс гликолиза происходит под действием разнообразных ферментативных веществ, то есть катализаторов биологической природы. Самым главным окислителем является кислород, но стоит отметить, что процесс гликолиза может осуществляться и при отсутствии кислорода. Подобный вид гликолиза называется анаэробным.

Гликолиз анаэробного типа является ступенчатым процессом окисления глюкозы. При таком гликолизе окисление глюкозы происходит не полностью. Таким образом, при окислении глюкозы образуется лишь одна молекула пирувата. С точки зрения энергетической выгоды анаэробный гликолиз менее выгоден, чем аэробный. Однако если в клетку поступит кислород, то может произойти превращение анаэробного гликолиза в аэробный, который представляет собой полное окисление глюкозы.

Анаэробное окисление глюкозы: гликолиз с образованием АТФ и лактата[править | править код]

Анаэробный гликолизправить | править код

Рис. 17.1. Анаэробный метаболизм глюкозы и гликогена с образованием АТФ

Рис. 17.2. Цикл Кори. В мышцах глюкоза преобразуется в лактат. Лактат поступает в печень, где снова превращается в глюкозу глюкоза снова поступает в мышцы

При отсутствии кислорода (т.е. в анаэробных условиях из глюкозы можно получить 2 молекулы АТФ. Однако сначала потребуется израсходовать АТФ в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях. Фруктозо-6-фосфат в итоге расщепляется на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые затем окисляются глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой с образованием двух молекул НАДН. Две молекулы АТФ образуются в фосфоглицераткиназной реакции, еще две молекулы АТФ в пируват киназной реакции. Примечание: в аэробных условиях НАДН, окисляясь в дыхательной цепи, образует НАД+, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции (следу помнить, что НАДН и НАД+ представлены в клетке в небольших количествах и всегда должны рециклировать). Однако анаэробных условиях НАДН используется лактатдегидрогеназой для восстановления пирувата, а образовавшийся НАД снова используется глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой. В лактатдегидрогеназной реакции образуется лактат, который с током крови транспортируется в печень и поступает в цикл Кори, где из него в ходе глюконеогенеза синтезирует глюкоза (рис. 17.2).

Обратите внимание, что когда источником глюкозо-6-фосфата выступает гликоген, общий выход АТФ в анаэробном гликолизе составляет 3 молекулы (табл. 17.2). Таблица 17.1

При анаэробном гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ

Таблица 17.1. При анаэробном гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ

Таблица 17.2. При анаэробном гликолизе из одного глюкозного остатка гликогена образуются 3 молекулы АТФ

Метаболизм лактата: цикл Кориправить | править код

Лактат постоянно образуется из глюкозы в процессе анаэробного гликолиза в эритроцитах, сетчатке и мозговом веществе почек. Этот лактат снова превращается в глюкозу в цикле Кори. Лактат переносится в печень и превращается в глюкозу в процессе глюконеогенеза. Образование глюкозы из лактата требует затраты 6 молекул АТФ. Если из-за поражения печени цикл Кори блокируется, в организме накапливается лактат и развивается гиперлактатемия. Гиперлактатемия часто протекает бессимптомно, и это весьма распространенное состояние, не представляющее угрозы для жизни. Лишь в редких случаях развивается лактацидоз, с которым не справляются буферные системы организма.

Превращение галактозы

Галактоза сначала подвергается фосфорилированию по 1-му атому углерода. Отличительной особенностью является превращение в глюкозу не напрямую, а через синтез УДФ-галактозы из галактозо-1-фосфата. Источником УМФ является УДФ-глюкоза, имеющаяся в клетке. Образованная УДФ-галактоза впоследствии изомеризуется в УДФ-глюкозу и далее ее судьба различна.

Она может:

• участвовать в реакции переноса УМФ на галактозо-1-фосфат,
• превращаться в свободную глюкозу и выходить в кровь,
• отправляться на .

Превращение галактозы в глюкозу(обратимость обеих уридил-трансферазных реакций не показана)

Биохимическое усложнение вроде бы простой реакции эпимеризации вызвано, видимо, синтезом УДФ-галактозы из глюкозы в молочной железе для получения лактозы при образовании молока. Также галактоза используется при синтезе соответствующих гексозаминов в гетерополисахаридах.

Нарушения превращения галактозы

Нарушения обмена галактозы могут быть вызваны генетическим дефектом одного из ферментов:

• галактокиназы, частота дефекта 1:500000,
• галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, частота дефекта 1:40000,
• эпимеразы, частота дефекта менее 1:1000000.

Заболевание, возникающее при этих нарушениях, получило название галактоземия.

Диагностика. Дети отказываются от еды. Концентрация галактозы в крови возрастает до 11,1-16,6 ммоль/л (норма 0,3-0,5 ммоль/л), в крови появляется галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся также билирубинемия, галактозурия, протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина.

Патогенез. Избыток галактозы превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапливающийся в хрусталике и осмотически привлекающий сюда воду. Изменяется солевой состав, нарушается конформация белков хрусталика, что приводит к катаракте в молодом возрасте. Катаракта возможна даже у плодов матерей с галактоземией, употреблявших молоко во время беременности.

При дефекте галактозо-1-фосфат-уридил-трансферазы АТФ постоянно расходуется на фосфорилирование галактозы и дефицит энергии угнетает активность многих ферментов, «токсически» действуя на нейроны, гепатоциты, нефроциты. Как результат возможны задержка психомоторного развития, умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз печени. В почках и кишечнике избыток галактозы и ее метаболитов ингибирует всасывание аминокислот.

Основы лечения. Исключение из рациона молока и других источников галактозы позволяет предотвратить развитие патологических симптомов. Однако сохранность интеллекта может быть достигнута только при ранней, не позднее первых 2 месяцев жизни, диагностике и вовремя начатом лечении.

Что такое брожение

Ферментация относится к любой группе химических реакций, вызываемых микроорганизмами для превращения сахаров в диоксид углерода и этанол. Сахара сначала подвергаются гликолизу. Во время гликолиза глюкоза гексозного сахара расщепляется на две молекулы пирувата. Пируват представляет собой трехуглеродное соединение. Гликолиз использует две молекулы АТФ, производя четыре молекулы АТФ из энергии, выделяемой из глюкозы. Пируват окисляется до этанола или молочной кислоты. В зависимости от типа конечного продукта ферментация подразделяется на два процесса: ферментация этанолом и ферментация молочной кислоты соответственно. Дрожжи и некоторые виды бактерий выполняют ферментацию. Брожение этанола используется для производства пива, хлеба и вина. Чистое химическое уравнение для ферментации этанола показано ниже.

С₆ЧАС₁₂О₆ (Глюкоза) → 2 C₂ЧАС₅OH (этанол) + 2 CO₂ (Углекислый газ)

Рисунок 1: Брожение этанола

Ферментация молочной кислоты происходит в мышцах и тканях животных, когда ткани требуют больше энергии. В производстве йогурта молочнокислое брожение используется для производства молочной кислоты из лактозы. Чистая химическая реакция для производства молочной кислоты из глюкозы показана ниже.

С₆ЧАС₁₂О₆ (Глюкоза) → 2 CH₃CHOHCOOH (молочная кислота)