V tomto článku sa pozrieme na to, ako sa oxiduje glukóza. Sacharidy sú zlúčeniny polyhydroxykarbonylového typu, ako aj ich deriváty. Charakteristickými znakmi sú prítomnosť aldehydových alebo ketónových skupín a aspoň dvoch hydroxylových skupín.
Podľa štruktúry sa sacharidy delia na monosacharidy, polysacharidy, oligosacharidy.
Monosacharidy
Monosacharidy sú najjednoduchšie sacharidy, ktoré sa nedajú hydrolyzovať. Podľa toho, ktorá skupina je v kompozícii prítomná – aldehyd alebo ketón, sa izolujú aldózy (medzi ne patrí galaktóza, glukóza, ribóza) a ketózy (ribulóza, fruktóza).
Oligosacharidy
Oligosacharidy sú sacharidy, ktoré majú vo svojom zložení od dvoch do desiatich zvyškov monosacharidového pôvodu, spojených glykozidickými väzbami. V závislosti od počtu monosacharidových zvyškov sa rozlišujú disacharidy, trisacharidy atď. Čo vzniká pri oxidácii glukózy? O tom sa bude diskutovať neskôr.
Polysacharidy
Polysacharidysú sacharidy, ktoré obsahujú viac ako desať monosacharidových zvyškov prepojených glykozidickými väzbami. Ak zloženie polysacharidu obsahuje rovnaké monosacharidové zvyšky, potom sa nazýva homopolysacharid (napríklad škrob). Ak sú tieto zvyšky odlišné, potom s heteropolysacharidom (napríklad heparínom).
Aký je význam oxidácie glukózy?
Funkcie sacharidov v ľudskom tele
Sacharidy vykonávajú tieto hlavné funkcie:
- Energia. Najdôležitejšia funkcia sacharidov, pretože slúžia ako hlavný zdroj energie v tele. V dôsledku ich oxidácie je uspokojená viac ako polovica energetických potrieb človeka. V dôsledku oxidácie jedného gramu sacharidov sa uvoľní 16,9 kJ.
- Rezervujte. Glykogén a škrob sú formou skladovania živín.
- Štrukturálne. Celulóza a niektoré ďalšie polysacharidové zlúčeniny tvoria v rastlinách silnú štruktúru. Tiež sú v kombinácii s lipidmi a proteínmi súčasťou všetkých bunkových biomembrán.
- Ochranný. Kyslé heteropolysacharidy zohrávajú úlohu biologického lubrikantu. Lemujú povrchy kĺbov, ktoré sa navzájom dotýkajú a otierajú, sliznice nosa, tráviaci trakt.
- Antikoagulant. Sacharid, akým je heparín, má dôležitú biologickú vlastnosť, konkrétne zabraňuje zrážaniu krvi.
- Sacharidy sú zdrojom uhlíka potrebného pre syntézu bielkovín, lipidov a nukleových kyselín.
Hlavným zdrojom uhľohydrátov pre telo sú sacharidy z potravy – sacharóza, škrob, glukóza, laktóza). Glukóza sa môže syntetizovať v samotnom tele z aminokyselín, glycerolu, laktátu a pyruvátu (glukoneogenéza).
Glykolýza
Glykolýza je jednou z troch možných foriem procesu oxidácie glukózy. Pri tomto procese sa uvoľňuje energia, ktorá sa následne ukladá do ATP a NADH. Jedna z jeho molekúl sa rozpadne na dve molekuly pyruvátu.
Proces glykolýzy prebieha pôsobením rôznych enzymatických látok, teda katalyzátorov biologickej povahy. Najdôležitejším oxidačným činidlom je kyslík, ale stojí za zmienku, že proces glykolýzy sa môže uskutočňovať v neprítomnosti kyslíka. Tento typ glykolýzy sa nazýva anaeróbny.
Glykolýza anaeróbneho typu je postupný proces oxidácie glukózy. Pri tejto glykolýze nedochádza úplne k oxidácii glukózy. Pri oxidácii glukózy teda vzniká iba jedna molekula pyruvátu. Z hľadiska energetických výhod je anaeróbna glykolýza menej prospešná ako aeróbna. Ak sa však do bunky dostane kyslík, anaeróbna glykolýza sa môže premeniť na aeróbnu, čo je úplná oxidácia glukózy.
Mechanizmus glykolýzy
Glykolýza rozkladá šesťuhlíkovú glukózu na dve molekuly trojuhlíkového pyruvátu. Celý proces je rozdelený do piatich prípravných etáp a piatich ďalších, počas ktorých sa ukladá ATPenergia.
Glykolýza teda prebieha v dvoch stupňoch, z ktorých každý je rozdelený do piatich etáp.
1. fáza oxidačnej reakcie glukózy
- Prvá fáza. Prvým krokom je fosforylácia glukózy. K aktivácii sacharidu dochádza fosforyláciou na šiestom atóme uhlíka.
- Druhá fáza. Existuje proces izomerizácie glukóza-6-fosfátu. V tomto štádiu sa glukóza premieňa na fruktóza-6-fosfát katalytickou fosfoglukoizomerázou.
- Tretia etapa. Fosforylácia fruktóza-6-fosfátu. V tomto štádiu dochádza pod vplyvom fosfofruktokinázy-1 k tvorbe fruktóza-1,6-difosfátu (tiež nazývaného aldoláza). Podieľa sa na sprevádzaní fosforylovej skupiny z kyseliny adenozíntrifosforečnej k molekule fruktózy.
- Štvrtá fáza. V tomto štádiu dochádza k štiepeniu aldolázy. Výsledkom je vytvorenie dvoch molekúl triózofosfátu, najmä ketózy a eldózy.
- Piata etapa. Izomerizácia triózových fosfátov. V tomto štádiu sa glyceraldehyd-3-fosfát posiela do ďalších štádií rozkladu glukózy. V tomto prípade dochádza k prechodu dihydroxyacetónfosfátu na formu glyceraldehyd-3-fosfátu. Tento prechod sa uskutočňuje pôsobením enzýmov.
- Šiesta etapa. Proces oxidácie glyceraldehyd-3-fosfátu. V tomto štádiu sa molekula oxiduje a potom fosforyluje na difosfoglycerát-1, 3.
- Siedma etapa. Tento krok zahŕňa prenos fosfátovej skupiny z 1,3-difosfoglycerátu na ADP. Konečným výsledkom tohto kroku je 3-fosfoglyceráta ATP.
2. fáza – úplná oxidácia glukózy
- Ôsma etapa. V tomto štádiu sa uskutočňuje prechod 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát. Proces prechodu sa uskutočňuje pôsobením enzýmu, ako je fosfoglycerátmutáza. Táto chemická reakcia oxidácie glukózy prebieha s povinnou prítomnosťou horčíka (Mg).
- Deviata etapa. V tomto štádiu nastáva dehydratácia 2-fosfoglycerátu.
- Desiata etapa. Dochádza k prenosu fosforečnanov získaných v dôsledku predchádzajúcich krokov do PEP a ADP. Fosfoenulpyrát sa prenesie do ADP. Takáto chemická reakcia je možná v prítomnosti iónov horčíka (Mg) a draslíka (K).
V aeróbnych podmienkach celý proces smeruje k CO2 a H2O. Rovnica pre oxidáciu glukózy vyzerá takto:
S6N12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O + 2880 kJ/mol.
Pri tvorbe laktátu z glukózy teda v bunke nedochádza k akumulácii NADH. To znamená, že takýto proces je anaeróbny a môže prebiehať bez prítomnosti kyslíka. Je to kyslík, ktorý je konečným akceptorom elektrónov, ktorý sa prostredníctvom NADH prenáša do dýchacieho reťazca.
V procese výpočtu energetickej bilancie glykolytickej reakcie je potrebné vziať do úvahy, že každý krok druhého stupňa sa opakuje dvakrát. Z toho môžeme vyvodiť záver, že dve molekuly ATP sa spotrebujú v prvom štádiu a 4 molekuly ATP sa vytvoria počas druhého štádia fosforyláciou.typ substrátu. To znamená, že v dôsledku oxidácie každej molekuly glukózy bunka akumuluje dve molekuly ATP.
Pozreli sme sa na oxidáciu glukózy kyslíkom.
Anaeróbna dráha oxidácie glukózy
Aeróbna oxidácia je oxidačný proces, pri ktorom sa uvoľňuje energia a ktorý prebieha za prítomnosti kyslíka, ktorý pôsobí ako konečný akceptor vodíka v dýchacom reťazci. Donorom molekúl vodíka je redukovaná forma koenzýmov (FADH2, NADH, NADPH), ktoré vznikajú pri medzireakcii oxidácie substrátu.
Aeróbny proces oxidácie glukózy dichotomického typu je hlavnou cestou katabolizmu glukózy v ľudskom tele. Tento typ glykolýzy sa môže uskutočniť vo všetkých tkanivách a orgánoch ľudského tela. Výsledkom tejto reakcie je štiepenie molekuly glukózy na vodu a oxid uhličitý. Uvoľnená energia sa potom uloží do ATP. Tento proces možno rozdeliť zhruba do troch etáp:
- Proces premeny molekuly glukózy na pár molekúl kyseliny pyrohroznovej. Reakcia prebieha v bunkovej cytoplazme a je špecifickou dráhou rozkladu glukózy.
- Proces tvorby acetyl-CoA ako výsledok oxidačnej dekarboxylácie kyseliny pyrohroznovej. Táto reakcia prebieha v bunkových mitochondriách.
- Proces oxidácie acetyl-CoA v Krebsovom cykle. Reakcia prebieha v bunkových mitochondriách.
V každej fáze tohto procesuredukované formy koenzýmov oxidované enzýmovými komplexmi dýchacieho reťazca. Výsledkom je, že pri oxidácii glukózy vzniká ATP.
Tvorba koenzýmov
Koenzýmy, ktoré sa tvoria v druhom a treťom štádiu aeróbnej glykolýzy, budú oxidované priamo v mitochondriách buniek. Paralelne s tým NADH, ktorý sa vytvoril v bunkovej cytoplazme počas reakcie prvého stupňa aeróbnej glykolýzy, nemá schopnosť prenikať cez mitochondriálne membrány. Vodík sa prenáša z cytoplazmatického NADH do bunkových mitochondrií prostredníctvom kyvadlových cyklov. Medzi týmito cyklami možno rozlíšiť hlavný - malát-aspartát.
Potom sa pomocou cytoplazmatického NADH oxalacetát redukuje na malát, ktorý naopak vstupuje do bunkových mitochondrií a potom sa oxiduje, aby sa zredukoval mitochondriálny NAD. Oxalacetát sa vracia do bunkovej cytoplazmy ako aspartát.
Upravené formy glykolýzy
Glykolýzu môže navyše sprevádzať uvoľňovanie 1, 3 a 2, 3-bifosfoglycerátov. Súčasne sa 2,3-bifosfoglycerát môže pod vplyvom biologických katalyzátorov vrátiť do procesu glykolýzy a potom zmeniť svoju formu na 3-fosfoglycerát. Tieto enzýmy hrajú rôzne úlohy. Napríklad 2,3-bifosfoglycerát, ktorý sa nachádza v hemoglobíne, podporuje prenos kyslíka do tkanív, pričom prispieva k disociácii a zníženiu afinity kyslíka a červených krviniek.
Záver
Mnohé baktérie môžu zmeniť formu glykolýzy v jej rôznych štádiách. V tomto prípade je možné znížiť ich celkový počet alebo modifikovať tieto stupne v dôsledku pôsobenia rôznych enzymatických zlúčenín. Niektoré z anaeróbov majú schopnosť rozkladať sacharidy inými spôsobmi. Väčšina termofilov má iba dva glykolytické enzýmy, najmä enolázu a pyruvátkinázu.
Pozreli sme sa na to, ako sa v tele oxiduje glukóza.
