Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka glukoosi hapetetaan. Hiilihydraatit ovat polyhydroksikarbonyylityyppisiä yhdisteitä sekä niiden johdannaisia. Tyypillisiä piirteitä ovat aldehydi- tai ketoniryhmien ja vähintään kahden hydroksyyliryhmän läsnäolo.
Rakenteensa mukaan hiilihydraatit jaetaan monosakkarideihin, polysakkarideihin, oligosakkarideihin.
monosakkaridit
Monosakkaridit ovat yksinkertaisimpia hiilihydraatteja, joita ei voida hydrolysoida. Riippuen siitä, mitä ryhmää koostumuksessa on - aldehydi tai ketoni, aldooseja eristetään (näihin kuuluvat galaktoosi, glukoosi, riboosi) ja ketoosit (ribuloosi, fruktoosi).
oligosakkaridit
Oligosakkaridit ovat hiilihydraatteja, joiden koostumuksessa on kahdesta kymmeneen monosakkaridialkuperää olevaa tähdettä, jotka on yhdistetty glykosidisilla sidoksilla. Monosakkariditähteiden lukumäärästä riippuen erotetaan disakkaridit, trisakkaridit ja niin edelleen. Mitä syntyy, kun glukoosi hapetetaan? Tästä keskustellaan myöhemmin.
Polysakkaridit
Polysakkariditovat hiilihydraatteja, jotka sisältävät yli kymmenen monosakkaridijäännöstä, jotka on yhdistetty toisiinsa glykosidisilla sidoksilla. Jos polysakkaridin koostumus sisältää samat monosakkaridijäännökset, sitä kutsutaan homopolysakkaridiksi (esimerkiksi tärkkelys). Jos tällaiset jäännökset ovat erilaisia, niin heteropolysakkaridilla (esimerkiksi hepariinilla).
Mikä on glukoosin hapettumisen merkitys?
Hiilihydraattien tehtävät ihmiskehossa
Hiilihydraatit suorittavat seuraavat päätoiminnot:
- Energia. Hiilihydraattien tärkein tehtävä, koska ne toimivat kehon pääasiallisena energialähteenä. Niiden hapettumisen seurauksena yli puolet ihmisen energiantarpeesta täyttyy. Yhden gramman hiilihydraattien hapettumisen seurauksena vapautuu 16,9 kJ.
- Varaa. Glykogeeni ja tärkkelys ovat ravinteiden varastointimuoto.
- Rakenteellinen. Selluloosa ja jotkut muut polysakkaridiyhdisteet muodostavat vahvan rungon kasveissa. Lisäksi ne yhdessä lipidien ja proteiinien kanssa ovat kaikkien solujen biokalvojen komponentti.
- Suojaava. Happamilla heteropolysakkarideilla on biologisen voiteluaineen rooli. Ne reunustavat toisiaan koskettavien ja hankaavien nivelten pintoja, nenän limakalvoja, ruoansulatuskanavaa.
- Antikoagulantti. Hiilihydraatilla, kuten hepariinilla, on tärkeä biologinen ominaisuus, nimittäin se estää veren hyytymistä.
- Hiilihydraatit ovat hiilen lähde, jota tarvitaan proteiinien, lipidien ja nukleiinihappojen synteesiin.
Keholle pääasiallinen hiilihydraattien lähde ovat ravinnosta saatavat hiilihydraatit – sakkaroosi, tärkkelys, glukoosi, laktoosi). Glukoosi voi syntetisoitua elimistössä aminohapoista, glyserolista, laktaatista ja pyruvaatista (glukoneogeneesi).
Glykolyysi
Glykolyysi on yksi kolmesta glukoosin hapetusprosessin mahdollisesta muodosta. Tässä prosessissa vapautuu energiaa, joka varastoituu myöhemmin ATP:hen ja NADH:hen. Yksi sen molekyyleistä hajoaa kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi.
Glykolyysiprosessi tapahtuu useiden entsymaattisten aineiden, toisin sanoen biologisten katalyyttien, vaikutuksesta. Tärkein hapettava aine on happi, mutta on syytä huomata, että glykolyysiprosessi voidaan suorittaa ilman happea. Tämän tyyppistä glykolyysiä kutsutaan anaerobiseksi.
Anaerobinen glykolyysi on vaiheittainen glukoosin hapettumisprosessi. Tällä glykolyysillä glukoosin hapettumista ei tapahdu kokonaan. Siten glukoosin hapettumisen aikana muodostuu vain yksi pyruvaattimolekyyli. Energiahyötyjen kann alta anaerobinen glykolyysi on vähemmän hyödyllinen kuin aerobinen. Jos happea kuitenkin pääsee soluun, anaerobinen glykolyysi voidaan muuttaa aerobiseksi, mikä on glukoosin täydellistä hapettumista.
Glykolyysimekanismi
Glykolyysi hajottaa kuuden hiilen glukoosin kahdeksi kolmihiilisen pyruvaattimolekyyliksi. Koko prosessi on jaettu viiteen valmisteluvaiheeseen ja viiteen muuhun vaiheeseen, joiden aikana ATP:tä varastoidaanenergiaa.
Siksi glykolyysi etenee kahdessa vaiheessa, joista jokainen on jaettu viiteen vaiheeseen.
Glukoosin hapetusreaktion vaihe 1
- Ensimmäinen vaihe. Ensimmäinen vaihe on glukoosin fosforylaatio. Sakkaridiaktivaatio tapahtuu fosforyloimalla kuudennessa hiiliatomissa.
- Toinen vaihe. On olemassa glukoosi-6-fosfaatin isomeroitumisprosessi. Tässä vaiheessa glukoosi muuttuu fruktoosi-6-fosfaatiksi katalyyttisen fosfoglukoisomeraasin vaikutuksesta.
- Kolmas vaihe. Fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatio. Tässä vaiheessa fruktoosi-1,6-difosfaatin (kutsutaan myös aldolaasiksi) muodostuminen tapahtuu fosfofruktokinaasi-1:n vaikutuksen alaisena. Se osallistuu fosforyyliryhmän seuraamiseen adenosiinitrifosforihaposta fruktoosimolekyyliin.
- Neljäs vaihe. Tässä vaiheessa aldolaasi hajoaa. Tämän seurauksena muodostuu kaksi trioosifosfaattimolekyyliä, erityisesti ketoosit ja eldoosit.
- Viides vaihe. Trioosifosfaattien isomerointi. Tässä vaiheessa glyseraldehydi-3-fosfaatti lähetetään glukoosin hajoamisen seuraaviin vaiheisiin. Tässä tapauksessa tapahtuu dihydroksiasetonifosfaatin siirtyminen glyseraldehydi-3-fosfaatin muotoon. Tämä siirtymä tapahtuu entsyymien vaikutuksesta.
- Kuudes vaihe. Glyseraldehydi-3-fosfaatin hapetusprosessi. Tässä vaiheessa molekyyli hapetetaan ja sitten fosforyloituu difosfoglyseraatti-1, 3:ksi.
- Seitsemäs vaihe. Tämä vaihe sisältää fosfaattiryhmän siirron 1,3-difosfoglyseraatista ADP:hen. Tämän vaiheen lopputulos on 3-fosfoglyseraattija ATP.
Vaihe 2 - glukoosin täydellinen hapettuminen
- Kahdeksas vaihe. Tässä vaiheessa 3-fosfoglyseraatin siirtyminen 2-fosfoglyseraatiksi suoritetaan. Siirtymäprosessi suoritetaan entsyymin, kuten fosfoglyseraattimutaasin, vaikutuksesta. Tämä glukoosin hapettumisen kemiallinen reaktio etenee magnesiumin (Mg) pakollisella läsnäololla.
- Yhdeksäs vaihe. Tässä vaiheessa tapahtuu 2-fosfoglyseraatin kuivumista.
- Kymmenes vaihe. Edellisten vaiheiden tuloksena saadut fosfaatit siirtyvät PEP:hen ja ADP:hen. Fosfoenulpyrovaatti siirtyy ADP:hen. Tällainen kemiallinen reaktio on mahdollinen magnesium- (Mg)- ja kalium- (K)-ionien läsnä ollessa.
Aerobisissa olosuhteissa koko prosessi on CO2 ja H2O. Glukoosin hapettumisen yhtälö näyttää tältä:
S6N12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O + 2880 kJ/mol.
Näin ollen NADH:a ei kerry soluun laktaatin muodostumisen aikana glukoosista. Tämä tarkoittaa, että tällainen prosessi on anaerobinen ja voi tapahtua ilman happea. Happi on viimeinen elektronien vastaanottaja, jonka NADH siirtää hengitysketjuun.
Glykolyyttisen reaktion energiatasapainoa laskettaessa on otettava huomioon, että jokainen toisen vaiheen vaihe toistetaan kahdesti. Tästä voidaan päätellä, että ensimmäisessä vaiheessa kuluu kaksi ATP-molekyyliä ja toisessa vaiheessa muodostuu 4 ATP-molekyyliä fosforyloimalla.substraattityyppi. Tämä tarkoittaa, että kunkin glukoosimolekyylin hapettumisen seurauksena solu kerää kaksi ATP-molekyyliä.
Tarkastelimme glukoosin hapettumista hapen vaikutuksesta.
Anaerobinen glukoosin hapettumisreitti
Aerobinen hapetus on hapetusprosessi, jossa vapautuu energiaa ja joka etenee hapen läsnä ollessa, joka toimii viimeisenä vedyn vastaanottajana hengitysketjussa. Vetymolekyylien luovuttaja on koentsyymien pelkistetty muoto (FADH2, NADH, NADPH), joita muodostuu substraatin hapettumisen välireaktion aikana.
Aerobinen kaksijakoinen glukoosin hapetusprosessi on pääasiallinen glukoosin katabolismin kulkureitti ihmiskehossa. Tämän tyyppinen glykolyysi voidaan suorittaa kaikissa ihmiskehon kudoksissa ja elimissä. Tämän reaktion seurauksena glukoosimolekyyli hajoaa vedeksi ja hiilidioksidiksi. Vapautunut energia varastoidaan sitten ATP:hen. Tämä prosessi voidaan jakaa karkeasti kolmeen vaiheeseen:
- Prosessi, jossa glukoosimolekyyli muunnetaan palorypälehappomolekyylien pariksi. Reaktio tapahtuu solun sytoplasmassa ja on erityinen glukoosin hajoamisreitti.
- Asetyyli-CoA:n muodostumisprosessi palorypälehapon oksidatiivisen dekarboksyloinnin seurauksena. Tämä reaktio tapahtuu solun mitokondrioissa.
- Asetyyli-CoA:n hapetusprosessi Krebsin syklissä. Reaktio tapahtuu solun mitokondrioissa.
Tämän prosessin jokaisessa vaiheessahengitysketjun entsyymikompleksien hapettamien koentsyymien pelkistyneet muodot. Tämän seurauksena ATP:tä muodostuu glukoosin hapettuessa.
Koentsyymien muodostuminen
Koentsyymit, jotka muodostuvat aerobisen glykolyysin toisessa ja kolmannessa vaiheessa, hapetetaan suoraan solujen mitokondrioissa. Samanaikaisesti tämän kanssa NADH:lla, joka muodostui solun sytoplasmaan aerobisen glykolyysin ensimmäisen vaiheen reaktion aikana, ei ole kykyä tunkeutua mitokondrioiden kalvojen läpi. Vety siirtyy sytoplasmisesta NADH:sta solun mitokondrioihin sukkulasykleillä. Näistä sykleistä voidaan erottaa tärkein - malaatti-aspartaatti.
Sitten oksaloasetaatti pelkistetään sytoplasmisen NADH:n avulla malaatiksi, joka puolestaan joutuu solun mitokondrioihin ja hapettuu sitten vähentämään mitokondrioiden NAD:ta. Oksaloasetaatti palaa solun sytoplasmaan aspartaattina.
Glykolyysin muunnetut muodot
Glykolyysiin voi lisäksi liittyä 1, 3 ja 2, 3-bifosfoglyseraattien vapautumista. Samaan aikaan 2,3-bifosfoglyseraatti biologisten katalyyttien vaikutuksesta voi palata glykolyysiprosessiin ja muuttaa sitten muotonsa 3-fosfoglyseraatiksi. Näillä entsyymeillä on erilaisia rooleja. Esimerkiksi hemoglobiinissa oleva 2,3-bifosfoglyseraatti edistää hapen siirtymistä kudoksiin samalla kun se edistää hapen ja punasolujen dissosiaatiota ja affiniteetin vähenemistä.
Johtopäätös
Monet bakteerit voivat muuttaa glykolyysin muotoa sen eri vaiheissa. Tässä tapauksessa on mahdollista vähentää niiden kokonaismäärää tai muuttaa näitä vaiheita erilaisten entsymaattisten yhdisteiden vaikutuksesta. Joillakin anaerobeilla on kyky hajottaa hiilihydraatteja muilla tavoilla. Useimmilla termofiileillä on vain kaksi glykolyyttistä entsyymiä, erityisesti enolaasi ja pyruvaattikinaasi.
Tarkastelimme, kuinka glukoosi hapettuu elimistössä.
