Уравнение окисления глюкозы до углекислого газа

Гликолиз — это катаболизм глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Не слишком понятное определение, но сейчас попытаемся прояснить его.

Катаболизм — это окисление молекулы до более простой/простых с выделением энергии. Наша молекула — глюкоза. А энергия выделяется в виде АТФ и тепла. В химических связях глюкозы запасено много энергии, которая может быть использована организмом. Если мы будем окислять глюкозу до талого, то получим углекислый газ и воду. И кучу энергии! Но это нужно сделать с умом.

Представьте, что мы просто спалим глюкозу в один этап. Так мы получим углекислый газ и воду, да ещё вот такое количество энергии. Это горение молекулы.

В нашем организме такой реакции нет. Это экзотермическая реакция. В ней вся энергия выделяется в виде тепла, а не идёт на синтез полезной батарейки — молекулы АТФ. Если бы так было в организме, то вряд ли наши клетки долго прожили. У них бы быстро случилось профессиональное выгорание.

Организм делает умнее и удобнее. Он постепенно окисляет молекулу глюкозы до углекислого газа и воды — делит окисление на несколько стадий. А стадии делит на реакции. Так молекула глюкозы окисляется до промежуточных продуктов. В ходе этого выделяется энергия, которая запасается в виде АТФ. Часть энергии рассеивается — выделяется тепло.

Весь этот процесс называется катаболизмом глюкозы. Он состоит из гликолиза и общего пути катаболизма.

Гликолиз это первая стадия катаболизма. В ходе него выделяется немного энергии в виде АТФ, но что важнее — мы получаем две молекулы пирувата. Пируват та же пировиноградная кислота. Просто в растворе кислота диссоциирует, а название её иона — пируват.

Видео:Химия 9 класс (Урок№18 - Угарный газ. Углекислый газ.)Скачать

Почему пируват, а не другая молекула?

Наш организм получает энергию из белков, жиров и углеводов. Можно подумать, что для каждого класса молекул существует отдельный способ вытащить из него энергию. Но это не так. Зачем делать печку для каждого вида дров, если можно сделать одну общую для всех? Таким вопросом задались клетки нашего организма и решили, что лучше сделать одну печь. Эта печь — общий путь катаболизма.

Общий путь катаболизма включает превращение пирувата в ацетил-коэнзим А, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. Видите? Он начинается с пирувата. Потому что:

Пируват объединяет катаболизм белков, жиров и углеводов.

Клетки умнее, чем кажутся. Они решили, что можно сделать не только одну печь, но и один вид дров. Они окисляют белки, жиры и углеводы до одной молекулы — ацетил-коэнзим А. И пируват — это его предшественник. Их отделяет всего одна реакция, поэтому если мы посмотрим на все виды обмена, то увидим такое.

В ходе общего пути катаболизма образуется огромное количество молекул АТФ. Куда больше, чем при гликолизе.

Теперь мы поняли, что гликолиз — это первый этап катаболизма глюкозы. В ходе него образуется немного энергии в виде АТФ. Но что важнее — гликолиз готовит дрова для печи. Или пируват для общего пути катаболизма, как тебе больше нравится.

Гликолиз — это первый этап катаболизма глюкозы

У гликолиза есть и другое название — дихотомическое расщепление глюкозы. Это название заключает главный смысл гликолиза: в ходе него происходит деление молекулы глюкозы надвое.

Видео:Аэробный и анаэробный гликолиз. Реакции катаболизма глюкозы. Расчет выхода АТФ в гликолизеСкачать

Этапы гликолиза

Гликолиз идёт в цитоплазме всех клеток нашего организма. Прочитай это ещё раз. Он состоит из двух этапов: подготовительного и энергетического. Мне кажется, что подготовительный этап можно разделить на два шага. Так будет удобнее для понимания.

• Первый шаг. Глюкоза фосфорилируется с затратами двух молекул АТФ — образуется фруктозо-1,6-бисфосфат.
• Второй шаг. Расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата с образованием двух молекул фосфотриоз.

На энергетическом этапе из каждой фосфотриозы образуется пируват. На этом этапе образуются 4 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДH.

Кажется, что я вас слишком быстро окунул в тему. Не бойтесь, дальше всё будет понятнее. Если что, то нам даже не придётся зубрить все десять реакций. Да-да, их всего десять. Мы выведем всё логически. Нам нужно знать только формулу молекулы глюкозы и пирувата. С чего начинаем и к чему идём. В глюкозе шесть атомов углерода, а в пирувате всего три. Поэтому сначала нужно превратить глюкозу (гексозу) в триозу. За этим и нужен подготовительный этап.

У большинства ферментов название будет по субстратам. Знаем субстрат и продукт реакции — можем назвать фермент. Если хорошо знаем их классы.

Подготовительный этап гликолиза

В нём пять реакций. В процессе поймёте, почему лучше разделить его на два шага.

Первый шаг подготовительного этапа

Наша задача на этом шаге — получить фруктозо-1,6-фосфат.

Первая реакция. Мы начинаем с глюкозы. Она попадает в клетку с помощью глюкозного транспортёра (ГЛЮТ). Проблема в том, что этот транспортёр работает в обе стороны. ГЛЮТ может загонять глюкозу в клетку, а может выкидывать её. Всё зависит от градиента концентрации между кровью и клеткой. Так не пойдёт!

Ещё нам нужно увеличить реакционную способность глюкозы, потому что ей дальше придётся вступать в реакции. Убьём двух зайцев с помощью фосфорилирования! Для этого нам понадобится фермент — гексокиназа/глюкокиназа и молекула АТФ. Глюкокиназа действует в печени, а гексокиназа в других тканях — это изоферменты. Между ними есть отличия, о которых можно прочитать здесь.

В ходе реакции мы получаем глюкозо-6-фосфат. У него больше реакционная способность, чем у глюкозы. А ещё он не может вылететь из клетки — для него нет переносчика в клеточной мембране. Мы загнали глюкозу в ловушку и сделали её менее стабильной.

Для этой реакции нужен кофактор — ион магния. У АТФ огромный отрицательный заряд -4. Из-за этого её трудно загнать в активный центр фермента. Но при присоединении магния заряд уменьшается до -2. Теперь ей легче попасть в активный центр.

Эта реакция необратима, потому что мы затратили энергию макроэргической связи АТФ.

Вторая реакция. Мы превратим глюкозо-6-фосфат в фруктозо-6-фосфат. Зачем? Это пока секрет, но доверьтесь мне — дальше всё станет ясно! Фосфогексоизомераза катализирует эту реакцию.

Реакция идёт в несколько этапов. Сначала фосфогексоизомераза раскрывает циклическую форму глюкозо-6-фосфата — переводит его в линейную. Далее образуется линейная форма фруктозо-6-фосфата. Линейная форма фруктозо-6-фосфата быстро переходит циклическую. Такая форма более стабильна.

Эта реакция обратима

Третья реакция. Из-за того, что прошлая реакция обратима, мы можем опять получить глюкозо-6-фосфат. А он отправится на другие процессы — пентозофосфатный путь, синтез гликогена и всё такое. Нужно закрепить наш успех — отделить молекулу от других процессов. Прицепим ещё одну фосфатную группу к молекуле. Для этого нужна киназа — фосфофруктокиназа — и молекула АТФ. Получаем фруктозо-1,6-бисфосфат.

Клетка опять убила двух зайцев. Отделила гликолиз от других процессов через необратимую реакцию фосфорилирования. И увеличила реакционную способность молекулы. На фруктозо-1,6-бисфосфате суммарный заряд -4. Это слишком много — такая молекула не сможет долго оставаться без изменений.

Этим заканчивается первый шаг подготовительного этапа. В нём произошло несколько важных вещей. Клетка поймала глюкозу в ловушку — теперь она не сможет пройти через биологическую мембрану. С помощью образования фруктозо-1,6-бисфосфата гликолиз отделился от других клеточных процессов. Клетка увеличила реакционную способность глюкозы, превратив её в нестабильный фруктозо-1,6-бисфосфат. На эти важные процессы клетка не поскупилась и потратила две молекулы АТФ.

Как-то даже парадоксально: клетка хочет получить энергию, но при этом тратит её.

Второй шаг подготовительного этапа

Наша задача на этом шаге — получить фосфотриозы.

Четвёртая реакция. Начнём двигаться к образованию пирувата. А в нём все-таки три углеродных атома, а не шесть. Для этого расщепим фруктозо-1,6-бисфосфат с помощью фермента альдолазы. Этот фермент относится к классу лиаз.

Альдолаза раскрывает циклическую форму фруктозо-1,6-бисфосфата. Она действует на середину молекулы — образуется две триозы: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Если мы знаем формулу фруктозы, то легко можем написать эти продукты. Одна триоза будет кетонной, а другая альдегидной.

В этой реакции кроется причина превращения глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. Это тот, который образовался во время второй реакции. Представьте, что мы забили на превращение глюкозо-6-фосфата. И просто отправили его на альдолазную реакцию. Мы бы не получили две триозы. Дело в том, что альдолаза действует через один атом углерода, у которого находится двойная связь.

Все реакции начиная с четвёртой и до десятой будут обратимые. Поэтому я дальше не буду заострять на этом внимание. А может и буду, кто знает)))

Пятая реакция. Хоть мы и получили две триозы, но не каждая может пойти дальше по пути гликолиза. Глицеральдегид-3-фосфат может, а вот дигидроксиацетонфосфат — нет. Нам нужна альдегидная группа для следующих реакций гликолиза. Если внимательно посмотреть на эти молекулы, то можно сказать: «Да они почти одинаковые, может превратим одну в другую?»

Это можно сделать! С помощью фермента триозофосфатизомеразы. Он переводит дигидроксиацетонфосфат в глицеральдегид-3-фосфат. Давайте я переверну молекулу дигидроксиацетонфосфата. Так будет понятнее.

При этой реакции устанавливается константа равновесия. Возьмём за сто процентов количество молекул дигидроксиацетонфосфата (ДГАФ) и глицеральдегид-3-фосфата. 96 % молекул будут в виде ДГАФ, и только 4 % виде глицеральдегид-3-фосфата. Но это не проблема, потому что глицеральдегид-3-фосфат постепенно тратится на реакции гликолиза. Количество его молекул уменьшается. Нужно поддержать константу равновесия, поэтому ДГАФ изомеризуется. Так постепенно ДГАФ превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Смысл второго шага подготовительного этапа — образовать две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Он может превратиться в пируват — нашу конечную цель.

Получается, что в ходе подготовительного этапа клетка затратила две молекулы АТФ, но при этом получила две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На следующем этапе из глицеральдегид-3-фосфата будет образовываться АТФ. Ведь клетка не глупышка. Она не будет тратить энергию просто так.

Энергетический этап гликолиза

Время получать молекулы АТФ из наших глицеральдегид-3-фосфатов. Дальше будут реакции с одним глицеральдегид-3-фосфатом. Но помните о том, что их два. Позже мы всё удвоим, но не стоит выбрасывать это из головы.

Откуда взять энергию для получения АТФ в этой молекуле?

Можно подумать, что фосфатная группа у третьего атома будет участвовать в синтезе АТФ. Но это не так — пока не так. Для того, чтобы синтезировать АТФ из АДФ нужно разрушить ковалентную связь, но необычную. Она должна быть макроэргической.

Макроэргическая связь — это связь, при гидролизе которой выделяется большое количество энергии. Эта энергия используется для присоединения фосфатной группы к молекуле АДФ — мы получаем АТФ. Этот процесс называется субстратное фосфорилирование.

Есть и другое фосфорилирование — окислительное. Там для синтеза АТФ будет использоваться градиент концентрации протонов. Но мы поговорим об этом подробнее, когда доберёмся до дыхательной цепи. Пока что остановимся на субстратном.

Не каждая связь будет макроэргической. Чаще всего эти связи есть в ангидридах фосфорных и карбоновых кислот. Ангидрид состоит из двух кислотных остатков, которые соединены через атом кислорода. Давайте посмотрим на молекулу АТФ — в ней две макроэргических связи.

И это как раз фосфорный ангидрид — в нём соединены три фосфорных остатка. Два из них — это ангидриды. Теперь вы догадались, что мы сделаем с глицеральдегид-3-фосфатом. Превратим его в ангидрид!

Шестая реакция. Ангидридная группа будет на первом атоме углерода, а не на третьем. Катализирует реакцию — глицеральдегидфосфатдегидрогеназа. Раз это дегидрогеназа, то нам понадобится кофермент. Здесь им будет НАД + . Он будет присоединять протон водорода и электроны от альдегидной группы. Альдегидная группа окисляется до карбоновой кислоты, но к ней тут же присоединяется неорганический фосфат.

Получился смешанный ангидрид фосфорной и карбоновой кислот — 1,3-бисфосфоглицерат. Ура, у нас есть макроэргическая связь.

У этой реакции есть плюсы и минусы. Плюсы:

• На синтез макроэргической связи затрачивается неорганический фосфат. А не молекула АТФ.
• В ходе реакции мы получаем восстановленный кофермент — НАДH.

А о минусе мы поговорим ниже.

Седьмая реакция. Время получить молекулу АТФ. В этом нам поможет фермент — фосфоглицераткиназа. Она катализирует разрыв макроэргической связи в 1,3-бисфосфоглицерате. Энергия разрыва этой связи идёт на присоединение фосфорной группы к АДФ — образованию макроэргической связи. Получаем АТФ и 3-фосфоглицерат. Это и есть субстратное фосфорилирование.

Фермент назван по обратной реакции. Потому что АТФ находится справа. Все киназы получают название в зависимости от того, где находится АТФ. Эта реакция обратима, потому что с двух сторон есть макроэргические связи — нет резкого изменения свободной энергии. Такое изменение было в первой и третьей реакциях, но не здесь.

Восьмая реакция. В 3-фосфоглицерате ещё остаётся фосфатная группа. Она связана с третим атомом углерода с помощью ковалентной связи. Попробуем превратить эту связь в макроэргическую. Для этого придётся перенести фосфатную группу на второй атом углерода. Катализирует реакцию фосфоглицератмутаза.

Реакция протекает в два этапа: вначале фосфоглицератмутаза отдаёт фосфатную группу 3-фосфоглицерату — образуется 2,3-бисфофоглицерат. Потом фосфоглицератмутаза забирает фосфатную группу с третьего атома углерода. В клетке образуется 2-фосфоглицерат. Зачем я про это рассказываю? Потому что вы уже встречались с этой молекулой. 2,3-бисфосфоглицерат снижает сродство гемоглобина к кислороду. Вспомнили? Ну да ладно, сейчас не об этом.

Девятая реакция. У нас не получится превратить 2-фосфоглицерат в ангидрид, но есть другой вариант. Для этого нам понадобится фермент — енолаза. Она занимается отщеплением воды от молекулы с образованием двойной связи по месту разрыва — класс лиазы. Образуется фосфоенолпируват.

Эта реакция увеличивает энергетический потенциал молекулы — в ней появляется енолфосфатная связь. Это макроэргическая связь. Фосфоенолпируват теперь может отдать фосфорную группу молекуле АДФ в следующей реакции.

Десятая реакция. Её катализирует фермент пируваткиназа. Гидролиз макроэргической связи приводит к высвобождению энергии, которая идёт на присоединение фосфорной группы к АДФ. Образуется АТФ и пируват. И снова субстратное фосфорилирование.

Опять фермент назван по обратной реакции. Но есть ли вообще тут обратная реакция? Если есть, то почему я нарисовал стрелочку в одну сторону. Дело в том, что пируват может находиться в енольной или кетонной формах. Это зависит от положения двойной связи.

После отщепления фосфорной группы образуется енольная форма. Но эта форма менее стабильна, чем кетонная. Поэтому быстро происходит таутомерия — переход изомеров друг в друга. Образуется стабильная кето-форма пирувата. За счёт этого реакция становится необратимой!

На этом энергетический этап гликолиза заканчивается. Да и сам гликолиз тоже.

Видео:[биохимия] — ГЛИКОЛИЗСкачать

Сделаем выводы

Давайте посмотрим на общую схему гликолиза. Всего три реакции из десяти необратимы: первая, третья и десятая.

Почему они необратимы? В этих трёх реакциях происходит значительное изменение свободной энергии. Если сказать проще, то при первой, третьей и десятой реакции выделяется большое количество энергии. Это экзотермические реакции. Поэтому для того, чтобы повернуть эти реакции в обратную сторону нужно затратить энергию. Это невозможно при физиологических клеточных условиях.

Другие семь реакций обратимы. В них свободная энергия меняется незначительно. Некоторые из этих реакций экзотермические, а некоторые эндотермические. При физиологических условиях в клетке можно легко провести реакции в другую сторону. Достаточно ферментов, которые снизят энергию активации этой реакции.

Это полезно, потому что иногда клетка хочет синтезировать глюкозу из продуктов гликолиза. Всё зависит от условий внутри клетки. Катаболизм глюкозы и её синтез работают по типу выключателя. Когда клетка включает синтез, то отключается распад. И наоборот. Синтез глюкозы из продуктов гликолиза и других молекул — это глюконеогенез. Но я отвлёкся, давайте вернёмся к гликолизу.

На подготовительном этапе мы затратили две молекулы АТФ для активации глюкозы — первая и третья реакция. В конце этапа у нас есть две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Дальше эти две молекулы вступят в энергетический этап.

В энергетическом этапе из каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата мы получили две молекулы АТФ. Первую в седьмой реакции, а вторую в десятой реакции. Обе были получены с помощью субстратного фосфорилирования. Так как молекул глицеральдегид-3-фосфата две, то всего мы получили четыре молекулы АТФ.

Общий выхлоп гликолиза (пока что) = получено на энергетическом этапе (АТФ) — затрачено на подготовительном этапе (АТФ) = 4-2 = 2 молекулы АТФ. Как то не густо….

Но ещё мы получили две молекулы пирувата, которые отправятся в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). А потом и в дыхательную цепь. Для этого две молекулы пирувата переносятся в митохондрию, где находятся ЦТК и дыхательная цепь. Там из пирувата, через серию реакций, образуются молекулы АТФ.

Ах да, есть ещё две важные молекулы, которые были получены в ходе гликолиза. Это 2 НАДH. Они образовались в шестой реакции, и я обещал вам рассказать про её минусы. Время выполнять обещание.

Значение НАДH для гликолиза

Эту реакцию катализирует глицеральдегидфосфатдегидрогеназа. Она может работать только при условии, что в её активном центре находится НАД + . НАД + принимает на себя два электрона и протон водорода от глицеральдегид-3-фосфата. После этого НАДH покидает активный центр фермента вместе со своей добычей. В активный центр фермента попадает следующий НАД + . И тут возможны два варианта:

• В цитоплазме есть НАД + . Он залетает в активный центр фермента и реакция идёт снова. И так по кругу.
• В цитоплазме нет НАД + , но избыток НАДH. Из-за этого шестая реакция останавливается, а с ней и весь гликолиз. Клетка не может получить пируват, ей такое не нравится.

Но у клетки есть выход из этой ситуации. Нужно просто восстановить количество НАД + . А для этого нужно окислить НАДH. И это можно сделать двумя способами. Перенести его протон водорода и электроны в митохондрию, где они отправятся в дыхательную цепь. Либо же оставить протон и электроны в цитоплазме, но для этого придётся пожертвовать молекулами пирувата — превратить его в лактат.

Тут нужно поговорить об аэробном и анаэробном гликолизе. Я не стал пихать их в начало статьи для того, чтобы разобраться с ними сейчас.

Аэробный гликолиз

Дыхательная цепь находится в митохондриях. НАДH не может проникнуть через двойную биологическую мембрану. Это можно сделать с помощью челночных механизмов (подробнее здесь). Челночные механизмы окисляют НАДH до НАД + — при этом он остаётся в цитоплазме. А его протон и два электрона переносятся внутрь митохондрии. Ещё для этого используется протон водорода из цитоплазмы, но их там не мало — от цитоплазмы не убудет. После этого НАД + присоединяется к активному центру глицеральдегидфосфатдегидрогеназы.

Челночные механизмы нужны не только для того, чтобы окислить НАДH. После того, как протоны и электроны были перенесены в митохондрию, они попадают в дыхательную цепь. Там из них синтезируется три или пять молекул АТФ. Это зависит от челночного механизма, который был использован клеткой.

Вы можете найти инфу, что в в ходе гликолиза синтезируется восемь молекул АТФ. Потому что каждый НАДH идёт на образование трёх молекул АТФ. Но если говорить строго, то из каждого НАДH может синтезироваться только 2,5 молекулы. Наверное, они округляют или пользуются старыми данными. Так что тут вам решать. Я считаю по 2,5 молекулы, поэтому:

Общий выход аэробного гликолиза: пять или семь молекул АТФ и две молекулы пирувата. Количество АТФ зависит от челночного механизма

Уравнение аэробного гликолиза:

Но что случится, если дыхательная цепь прекратит свою работу?

Анаэробный гликолиз

При анаэробном гликолизе челночные механизмы останавливаются. Это случается при недостатке кислорода (ого!) — дыхательная цепь перестает работать. В митохондрии накапливаются протоны и электроны. Для наших уже просто не хватает места.

Но клетка делает кое-что интересное. Она превращает пируват в лактат с помощью лактатдегидрогеназы. Фермент использует НАДH и протон водорода на эту реакцию. Далее он присоединяет их к пирувату. Та-дам! Клетка получает НАД + и лактат. НАД + снова идёт в шестую реакцию.

Выхлоп энергии здесь намного меньше — всего две молекулы АТФ. Протон и электроны с НАДН не отправляются в митохондрию, а значит мы не получим дополнительные три или пять молекул АТФ. Пируват не отправляется в ЦТК, а превращается в лактат. В общем, невыгодно как-то. Клетка слишком много теряет на этом.

Общий выход анаэробного гликолиза: две молекулы АТФ и две молекулы лактата

Уравнение анаэробного гликолиза:

Зачем тогда нужен анаэробный гликолиз? Некоторые клетки не могут получать энергию по-другому. Вот у эритроцитов просто нет митохондрий, поэтому единственный вариант получить энергию — анаэробный гликолиз.

Ещё он протекает в мышцах при резкой физической нагрузке. Представьте, что мы побежали за автобусом. У нас небольшой запас кислорода в мышцах — в виде миоглобина. Он сгорит очень быстро, а мышцам нужна энергия. Запускается анаэробный гликолиз с образованием лактата. Потом к мышцам увеличивается кровоток — переход на аэробный гликолиз.

С мышцами бывает и другая ситуация. Они частенько сокращаются, а это иногда приводит к сдавлению сосудов. Кровоток снижается, а энергию на сокращения где-то брать нужно. Снова включается анаэробный гликолиз. Так что анаэробный гликолиз незаменимая штука для эритроцитов и мышц.

Опухоли тоже пользуются гликолизом, но это не хорошая инфа. А так анаэробный гликолиз больше характерен для бактерий: клостридий и других облигатных анаэробов.

Но вернёмся к нашему организму. В мышцах лактат не лежит просто так, а отправляется в кровь. Там он циркулирует, пока не попадёт в печень или почки. Зачем? Эти органы могут превратить лактат в глюкозу с помощью глюконеогенеза. В них идёт обратная реакция, которую катализирует лактатдегидрогеназа — образование пирувата из лактата. Далее пируват вступает в глюконеогенез — через серию реакций образуется глюкоза. Печень/почки отправляют её в кровь. Дальше глюкоза попадёт в другие клетки, где будет использована на их нужды. Часть глюкозы снова окажется в мышцах, где из неё опять образуется лактат. Цикличненько. У этого цикла есть своё название — цикл Кори.

Видео:Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать

Другие субстраты гликолиза

Только что мы разобрали гликолиз на примере глюкозы. Она попадает в клетку из крови, а потом фосфорилируется. И так далее. Но откуда она там взялась? Есть два варианта:

Мы сытно поели, и в ЖКТ началось пищеварение. Большая часть полисахаридов и дисахаридов состоит из глюкозы. Глюкоза попадёт из кишечника в кровь, а потом в клетку. Там глюкоза будет использоваться для синтеза АТФ — гликолиза, либо запасаться в виде гликогена. Она может использоваться и для других процессов, но пока не будем запариваться.

Второй вариант — образование глюкозы из гликогена.

Гликоген

В мышцах и печени можно получить молекулу глюкозо-6-фосфата, продукт первой реакции, по-другому. Через разрушение гликогена — гликогенолиз. Под действием гликогенфосфорилазы от гликогена отщепляется молекула глюкозы. Эта реакция идёт с помощью фосфоролизиса — альфа-1-4-гликозидная связь разрушается с участием неорганического фосфата. Клетка получает глюкозо-1-фосфат и гликоген, в котором меньше на одну молекулу глюкозы.

Далее глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат с помощью фермента фосфоглюкомутазы. А вот и наш глюкозо-6-фосфат, который можно запихнуть в гликолиз.

Но такая тема работает только в мышечной ткани — глюкозо-6-фосфат идёт на гликолиз. В печени глюкозо-6-фосфат превратится в глюкозу с помощью глюкозо-6-фосфатазы. Из клеток печени она пойдёт в кровь. Так происходит между приёмами пищи, когда падает уровень глюкозы в крови. Печень заботится об уровне глюкозы в крови между приёмами пищи, поэтому она не использует глюкозу самостоятельно. Но давайте вернёмся к пищеварению.

При пищеварении мы получали не только глюкозу, но и другие моносахариды: фруктозу и галактозу. Можно ли их отправить в гликолиз? А давайте посмотрим.

Фруктоза

Фруктоза образуется при гидролизе сахарозы во время пищеварения. Сахароза — это дисахарид, который состоит из глюкозы и фруктозы. В начале пути глюкозы и фруктозы схожи. Фруктоза тоже всасывается в кишечнике, а потом попадает в кровь. Оттуда фруктоза захватывается клетками. А дальше начинаются отличия. Фруктоза может вступать в гликолиз двумя разными путями.

Первый путь. Фруктоза фосфорилируется с помощью гексокиназы. Фосфорная группа присоединяется к шестому атому углерода. При этом затрачивается молекула АТФ.

Удобно, клетка получила продукт второй реакции гликолиза. Даже не нужно проводить изомеризацию. Можно сразу фосфорилировать фруктозо-6-фосфат фосфофруктокиназой.

Второй путь. Фруктоза фосфорилируется с помощью фруктокиназы. Фосфорилирование идёт по первому атому углерода, а не шестому. Уже можно не писать, что на это тратится молекула АТФ?

Дальше клетка превращает фруктоза-6-фосфат в две триозы. Очень похоже на четвертую реакцию гликолиза, но только одна будет фосфотриозой. Фермент тоже называется альдолазой, но с приставкой — фруктозо-1-фосфатальдолаза.

Дигидроксиацетонфосфат может пойти на гликолиз через изомерию. Триозофосфатизомераза превращает его в глицеральдегид-3-фосфат. Далее он вступает в гликолиз.

Глицеральдегид в гликолиз не отправить. Сначала нужно прицепить к нему фосфатную группу. Катализирует реакцию — триозокиназа. Получаем ещё один глицеральдегид-3-фосфат.

Оба глицеральдегид-3-фосфата попадают на энергетический этап гликолиза. Очень похоже на классический гликолиз. Просто он идёт немного в обход. При этом оба пути одинаковы в энергетическом плане — клетка тратит на них две молекулы АТФ.

Галактоза

Галактоза образуется при гидролизе лактозы. Лактоза — это дисахарид, который состоит из галактозы и глюкозы. Галактоза всасывается из кишечника, а потом попадает в клетку. Ну и куда же без фосфорилирования. Ведь нужно загнать галактозу в ловушку и увеличить её реакционную способность. Фермент галактозокиназа фософрилирует первый атом углерода.

Дальше идёт вот такой интересный цикл:

В итоге мы получаем глюкозо-1-фосфат, который можно превратить в глюкозо-6-фосфат с помощью фосфоглюкомутазы. Где мы уже встречались с УДФ-глюкозой? Да, в синтезе гликогена.

Вот общая табличка со всеми субстратами гликолиза.

Регуляцию гликолиза и глюконеогенеза разбираем здесь.

Хочешь задать вопрос, похвалить или наговорить гадостей? Тогда залетай в телегу. Там ты сможешь предложить новый формат или разбор темы. А если серьёзно, то эти статьи пишутся для вас, поэтому мне важна обратная связь.

Видео:Окислительное декарбоксилирование пирувата.Скачать

Полное окисление глюкозы. Реакция окисления глюкозы

В данной статье рассмотрим, как происходит окисление глюкозы. Углеводы представляют собой соединения полигидроксикарбонильного типа, а также их производные. Характерные признаки – наличие альдегидных или кетонной групп и не меньше двух групп гидроксильных.

По своей структуре углеводы подразделяются на моносахариды, полисахариды, олигосахариды.

Видео:Лекция 6. Обмен углеводов. Аэробный гликолиз. Пентозофосфатный путь распада глюкозыСкачать

Моносахариды

Моносахариды являются наиболее простыми углеводами, которые не могут быть подвергнуты гидролизу. В зависимости от того, какая группа присутствует в составе – альдегидная или кетонная, выделяют альдозы (к ним относятся галактоза, глюкоза, рибоза) и кетозы (рибулоза, фруктоза).

Видео:Как Решать Задачи по Химии // Задачи с Уравнением Химической Реакции // Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Олигосахариды

Олигосахариды представляют собой углеводы, которые имеют в своем составе от двух до десяти остатков моносахаридного происхождения, соединенных посредством гликозидных связей. В зависимости от количества остатков моносахаридов различают дисахариды, трисахариды и так далее. Что при окислении глюкозы образуется? Об этом будет рассказано позднее.

Видео:9:50 Аэробное окисление глюкозы ЦТКСкачать

Полисахариды

Полисахариды представляют собой углеводы, которые содержат более чем десять моносахаридных остатков, соединенных между собой гликозидными связями. Если в составе полисахарида содержатся одинаковые моносахаридные остатки, то он называется гомополисахаридом (к примеру, крахмал). Если же такие остатки разные – то гетерополисахаридом (к примеру, гепарин).

Какое значение имеет окисление глюкозы?

Видео:Лекция 4.1 Окисление глюкозы в клетке. Гликолиз. Анаэробный гликолиз.Скачать

Функции углеводов в организме человека

Углеводы выполняют следующие основные функции:

1. 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.
2. Резервная. Гликоген и крахмал являются формой накопления питательных веществ.
3. 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.
4. Защитная. Для кислых гетерополисахаридов отведена роль биологического смазочного материала. Они выстилают поверхности суставов, которые соприкасаются и трутся друг об друга, слизистые носа, пищеварительных путей.
5. Антигоагулянтная. Такой углевод, как гепарин, имеет важное биологическое свойство, а именно – препятствует свертыванию крови.
6. 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).

Видео:Биохимия 8. Дихотомическое окисление глюкозы. ГлюконеогенезСкачать

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.

Видео:ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ ПО ХИМИИ: Химическое Количество Вещества, Моль, Молярная Масса и Молярный ОбъемСкачать

Механизм гликолиза

В процессе гликолиза происходит распад шестиуглеродной глюкозы на две молекулы трехуглеродного пирувата. Весь процесс разделен на пять подготовительных этапов и еще пять, в течение которых в АТФ запасается энергия.

Таким образом, гликолиз протекает на двух стадиях, каждая из которых делится на пять этапов.

Видео:Энергетический обмен, гликолизСкачать

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.

Видео:9:50 Анаэробное окисление глюкозыСкачать

Стадия №2 — полное окисление глюкозы

• Восьмой этап. На данном этапе осуществляется переход 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Процесс перехода осуществляется под действием такого фермента, как фосфоглицератмутаза. Данная химическая реакция окисления глюкозы протекает при обязательном наличии магния (Mg).
• Девятый этап. На данном этапе происходит дегидратация 2-фосфоглицерата.
• Десятый этап. Происходит перенос фосфатов, полученных в результате протекания предыдущих этапов, в ФЕП и АДФ. Осуществляется перенос на АДФ фосфоэнулпировата. Такая химическая реакция возможна при наличии ионов магния (Mg) и калия (K).

В аэробных условиях весь процесс доходит до СО₂ и Н₂О. Уравнение окисления глюкозы выглядит так:

Таким образом, в клетке не происходит накопления НАДН в процессе образования из глюкозы лактата. Это означает, что такой процесс представляет собой анаэробный, и он может протекать в отсутствии кислорода. Именно кислород – конечный акцептор электронов, которые передаются НАДН в дыхательную цепь.

В процессе подсчета энергетического баланса гликолитической реакции необходимо учитывать, что каждая ступень второй стадии повторяется два раза. Из этого можно сделать вывод о том, что на первой стадии тратится две АТФ-молекулы, а при протекании второй стадии образуется 4 АТФ-молекулы путем фосфорилирования субстратного типа. Это значит, что в результате окисления каждой молекулы глюкозы клетка накапливает две АТФ-молекулы.

Мы рассмотрели окисление глюкозы кислородом.

Видео:Биохимия. Лекция 48. Углеводы. Превращение фруктозы и галактозы в глюкозу. Гликогенез. Гликогенолиз.Скачать

Анаэробный путь глюкозного окисления

Аэробным окислением называют процесс окисления, при котором происходит выделение энергии и который протекает в присутствии кислорода, выступающего конечным акцептором водорода в цепи дыхания. Донором молекул водорода выступает восстановленная форма коферментов (ФАДН2, НАДН, НАДФН), которые образуются при промежуточной реакции субстратного окисления.

Процесс окисления глюкозы аэробного дихотомического типа представляет собой основной путь катаболизма глюкозы в человеческом организме. Такой тип гликолиза может осуществляться во всех тканях и органах человеческого организма. Результатом этой реакции является расщепление молекулы глюкозы до воды и углекислого газа. Выделенная энергия при этом будет аккумулирована в АТФ. Этот процесс можно условно разделить на три этапа:

1. Процесс превращения молекулы глюкозы в пару молекул пировиноградной кислоты. Реакция происходит в клеточной цитоплазме и представляет собой специфический путь глюкозного распада.
2. Процесс образования ацетил-КоА в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Данная реакция протекает в клеточных митохондриях.
3. Процесс окисления ацетил-КоА в цикле Кребса. Реакция протекает в клеточных митохондриях.

На каждой стадии данного процесса образуются восстановленные формы коферментов, окисляющихся посредством ферментных комплексов дыхательной цепи. В результате образуется АТФ при окислении глюкозы.

Видео:Общая схема полного окисления 1 молекулы глюкозы. ЕГЭ Биология. ЕГЭ 2022.Скачать

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.

Видео:12:00 Анаэробное окисление глюкозыСкачать

Видоизмененные формы гликолиза

Протекание гликолиза дополнительно может сопровождаться выделением 1,3 и 2,3-бифосфоглицератов. При этом 2,3-бифосфоглицерат под воздействием биологических катализаторов может возвращаться в процесс гликолиза, а затем изменять свою форму на 3-фосфоглицерат. Данные ферменты играют разнообразные роли. К примеру, 2,3-бифосфоглицерат, находящийся в гемоглобине, способствует переходу кислорода в ткани, способствуя при этом диссоциации и понижению сродства кислорода и эритроцитов.

Видео:Биохимия. Лекция 49. Углеводы. Гликолиз. Челночные системы. Обезвреживание этанола.Скачать

Заключение

Многие бактерии могут изменять формы протекания гликолиза на его различных этапах. При этом возможно сокращение их общего количества или видоизменение этих этапов в результате воздействия различных ферментных соединений. Некоторые из анаэробов имеют способность к другим способам разложения углеводов. Большая часть термофилов имеет всего два гликолизных фермента, в частности енолазу и пируваткиназу.

Мы рассмотрели, как протекает окисление глюкозы в организме.

Видео:Лекция 4.2 Аэробный этап гликолиза. Декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Цикл Кребса.Скачать

Углеводы

Теория по теме Углеводы. Краткие конспект по углеводам. Классификация углеводов, химические свойства углеводов, способы получения углеводов. Свойства и получение моносахаридов (глюкоза, фруктоза), олигосахаридов (сахароза и др.), полисахаридов.

Исключение составляет дезоксирибоза, которая имеют формулу С₅Н₁₀O₄ (на один атом кислорода меньше, чем рибоза).

Видео:Биохимия 9.Апотомическое окисление глюкозыСкачать

Классификация углеводов

Видео:свойства глюкозы - брожениеСкачать

По числу структурных звеньев

• Моносахариды — содержат одно структурное звено.
• Олигосахариды — содержат от 2 до 10 структурных звеньев (дисахариды, трисахариды и др.).
• Полисахариды — содержат n структурных звеньев.

Некоторые важнейшие углеводы:

По числу атомов углерода в молекуле

• Пентозы — содержат 5 атомов углерода.
• Гексозы — содержат 6 атомов углерода.
• И т.д.

По размеру кольца в циклической форме молекулы

• Пиранозы — образуют шестичленное кольцо.
• Фуранозы — содержат пятичленное кольцо.

Химические свойства, общие для всех углеводов

1. Горение

Все углеводы горят до углекислого газа и воды.

2. Взаимодействие с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.

Моносахариды

Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.

Важнейшие моносахариды

Название и формула	Глюкоза C6H12O6	Фруктоза C6H12O6	Рибоза C5H10O5
Структурная формула
Классификация	гексоза альдоза в циклической форме – пираноза	гексоза кетоза в циклической форме — фураноза	пентоза альдоза в циклической форме – фураноза

Глюкоза

Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).

Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.

Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):

α-глюкоза	β-глюкоза

Химические свойства глюкозы

Водный раствор глюкозы

В водном растворе глюкозы существует динамическое равновесие между двумя циклическими формами — α и β и линейной формой:

Качественная реакция на многоатомные спирты: реакция со свежеосажденным гидроксидом меди (II)

При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с глюкозой (и другими моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.

Реакции на карбонильную группу — CH=O

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

• Реакция «серебряного зеркала»

• Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании. При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди (II) выпадает красно-кирпичный осадок оксида меди (I):

• Окисление бромной водой. При окислении глюкозы бромной водой образуется глюконовая кислота:

• Также глюкозу можно окислить хлором, бертолетовой солью, азотной кислотой.

• Каталитическое гидрирование. При взаимодействии глюкозы с водородом происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила, образуется шестиатомный спирт – сорбит:

• Брожение глюкозы. Брожение — это биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:

Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:

Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):

• Образование эфиров глюкозы (характерно для циклической формы глюкозы).

Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.

Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.

Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.

При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):

В более жестких условиях (например, с CH₃-I) возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.

Получение глюкозы

Гидролиз крахмала

В присутствии кислот крахмал гидролизуется:

Синтез из формальдегида

Реакция была впервые изучена А.М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:

Фотосинтез

В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO₂ и Н₂О:

Фруктоза

Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.

Фруктоза	α-D-фруктоза	β-D-фруктоза

Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.

В свободном виде содержится в мёде и фруктах.

Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

При гидрировании фруктозы также получается сорбит.

Дисахариды

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁

Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных друг с другом:

В молекуле сахарозы гликозидный атом углерода глюкозы связан из-за образования кислородного мостика с фруктозой, поэтому сахароза не образует открытую (альдегидную) форму.

Сахароза подвергается гидролизу подкисленной водой. При этом образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁

Это дисахарид, состоящий из двух остатков α-глюкозы, она является промежуточным веществом при гидролизе крахмала.

При гидролизе мальтозы образуется глюкоза.

Полисахариды

Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.

Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C₆H₁₀O₅)_n, но совершенно различные свойства.

Это объясняется особенностями их пространственного строения.

Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы:

Крахмал

Крахмалом называется полисахарид, построенный из остатков циклической α-глюкозы.

В его состав входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) – 10-20%
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) – 80-90%

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя молекулярная масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Амилопектин имеет разветвленное строение и гораздо большую молекулярную массу, чем амилоза.

Свойства крахмала

• Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется:

• Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).

• Качественная реакция на крахмал: синее окрашивание с раствором йода.

Целлюлоза

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее распространенный растительный полисахарид. Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Свойства целлюлозы

• Образование сложных эфиров с азотной и уксусной кислотами.

Нитрование целлюлозы.

Так как в звене целлюлозы содержится 3 гидроксильные группы, то при нитровании целлюлозы избытком азотной кислоты возможно образование тринитрата целлюлозы, взрывчатого вещества пироксилина:

Ацилирование целлюлозы.

При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (упрощённо-уксусной кислоты) происходит реакция этерификации, при этом возможно участие в реакции 1, 2 и 3 групп ОН.

Получается ацетат целлюлозы – ацетатное волокно.

• Гидролиз целлюлозы.

Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде может гидролизоваться, в результате тоже получается глюкоза. Но процесс идёт гораздо труднее.