При полном окислении 1 молекулы глюкозы образуется. Полное окисление глюкозы. Реакция окисления глюкозы. Видоизмененные формы гликолиза

Необходимо учитывать:

• Реакции, идущие с затратой или образованием АТФ и ГТФ;
• Реакции, продуцирующие НАДН и ФАДН 2 и использующие их;
• Так как глюкоза образует две триозы, то все соединения, образующиеся ниже ГАФ-дегидрогеназной реакции, образуются в двойном (относительно глюкозы) количестве.

Расчет АТФ при анаэробном окислении

Участки гликолиза, связанные с образованием и затратой энергии

На подготовительном этапе на активацию глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ, фосфат каждой из которых оказывается на триозе - глицеральдегидфосфате и диоксиацетонфосфате.

В следующий второй этап входят две молекулы глицеральдегидфосфата, каждая из которых окисляется до пирувата с образованием 2-х молекул АТФ в седьмой и десятой реакциях - реакциях субстратного фосфорилирования. Таким образом, суммируя, получаем, что на пути от глюкозы до пирувата в чистом виде образуется 2 молекулы АТФ.

Однако надо иметь в виду и пятую, глицеральдегидфосфат-дегидрогеназную, реакцию, из которой выходит НАДН. Если условия анаэробные, то он используется в лактатдегидрогеназной реакции, где окисляется для образования лактата и в получении АТФ не участвует.

Расчет энергетического эффекта анаэробного окисления глюкозы

Аэробное окисление

Участки окисления глюкозы, связанные с образованием энергии

Если в клетке имеется кислород, то НАДН из гликолиза направляется в митохондрию (челночные системы), на процессы окислительного фосфорилирования, и там его окисление приносит дивиденды в виде трех молекул АТФ.

Образовавшийся в гликолизе пируват в аэробных условиях превращается в ПВК-дегидрогеназном комплексе в ацетил-S-КоА, при этом образуется 1 молекула НАДН.

Ацетил-S-КоА вовлекается в ЦТК и, окисляясь, дает 3 молекулы НАДН, 1 молекулу ФАДН 2 , 1 молекулу ГТФ. Молекулы НАДН и ФАДН 2 движутся в дыхательную цепь , где при их окислении в сумме образуется 11 молекул АТФ. В целом при сгорании одной ацетогруппы в ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Суммируя результаты окисления «гликолитического» и «пируватдегидрогеназного» НАДН, «гликолитический» АТФ, энергетический выход ЦТК и умножая все на 2, получаем 38 молекул АТФ.

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.

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).

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.

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?

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.

В процессе подсчета 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.

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 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.

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.

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.

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.

Мы можем определить общее количество молекул АТФ , которое образуется при расщеплении 1 молекулы глюкозы при оптимальных условиях.
1. Во время гликолиза образуются 4 молекулы АТФ: 2 молекулы АТФ расходуются на первом этапе фосфорилирования глюкозы, необходимого для хода процесса гликолиза, чистый выход АТФ при гликолизе равен 2 молекулам АТФ.

2. В итоге цикла лимонной кислоты образуется 1 молекула АТФ. Однако в связи с тем, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты, каждая из которых проходит оборот в цикле Кребса, получается чистый выход АТФ на 1 молекулу глюкозы, равный 2 молекулам АТФ.

3. При полном окислении глюкозы суммарно образуются 24 атома водорода в связи с процессом гликолиза и циклом лимонной кислоты, 20 из них окисляются в соответствии с хемо-осмотическим механизмом с выделением 3 молекул АТФ на каждые 2 атома водорода. В итоге получается еще 30 молекул АТФ.

4. Четыре оставшихся атома водорода выделяются под влиянием дегидрогеназ и включаются в цикл хемоосмотического окисления в митохондриях помимо первой стадии. Окисление 2 атомов водорода сопровождается получением 2 молекул АТФ, в итоге получается еще 4 молекулы АТФ.

Сложив все полученные молекулы , получим 38 молекул АТФ как максимально возможное количество при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды. Следовательно, 456000 калорий могут сохраняться в виде АТФ из 686000 калорий, получаемых при полном окислении 1 грамм-молекулы глюкозы. Эффективность преобразования энергии, обеспечиваемая этим механизмом, составляет около 66%. Остальные 34% энергии преобразуются в тепловую и не могут быть использованы клетками для выполнения специфических функций.

Выделение энергии из гликогена

Продолжительное высвобождение энергии из глюкозы , когда клетки не нуждаются в энергии, было бы слишком расточительным процессом. Гликолиз и последующее окисление атомов водорода постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ. Этот контроль осуществляется многочисленными вариантами управляющих механизмов обратной связи в ходе химических реакций. К числу наиболее важных влияний такого рода можно отнести концентрацию АДФ и АТФ, контролирующую скорость химических реакций в ходе процессов обмена энергии.

Одним из важных путей , позволяющих АТФ управлять обменом энергии, является ингибирование фермента фосфофруктокиназы. Этот фермент обеспечивает образование фруктозо-1,6-дифосфата - одной из начальных стадий гликолиза, поэтому результирующим влиянием избытка АТФ в клетке будет торможение или даже остановка гликолиза, что, в свою очередь, приведет к торможению обмена углеводов. АДФ (равно как и АМФ) оказывает противоположное влияние на фосфофруктокиназу, существенно повышая ее активность. Когда АТФ используется тканями для энергообеспечения большинства химических реакций в клетках, это уменьшает ингибирование фермента фосфофруктокиназы, более того, его активность повышается параллельно увеличению концентрации АДФ. В результате запускаются процессы гликолиза, приводящие к восстановлению запасов АТФ в клетках.

Другой способ управления опосредован цитратами , образующимися в цикле лимонной кислоты. Избыток этих ионов существенно снижает активность фосфофруктокиназы, что не дает гликолизу опережать скорость использования пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза в цикле лимонной кислоты.

Третий способ, с помощью которого система АТФ-АДФ-АМФ может контролировать обмен углеводов и управлять выделением энергии из жиров и белков, заключается в следующем. Возвращаясь к различным химическим реакциям, служащим способом выделения энергии, мы можем заметить, что если весь имеющийся в наличии АМФ уже превращен в АТФ, дальнейшее образование АТФ становится невозможным. В результате прекращаются все процессы использования питательных веществ (глюкозы, белков и жиров) для получения энергии в виде АТФ. Лишь после использования образовавшегося АТФ в качестве источника энергии в клетках для обеспечения разнообразных физиологических функций вновь появляющиеся АДФ и АМФ запустят процессы получения энергии, в ходе которых АДФ и АМФ преобразуются в АТФ. Этот путь автоматически поддерживает сохранение определенных запасов АТФ, кроме случаев экстремальной активности клеток, например при тяжелых физических нагрузках.

Определим теперь выход химической энергии в форме АТР при окислении глюкозы в животных клетках до и .

Гликолитическое расщепление одной молекулы глюкозы в аэробных условиях дает две молекулы пирувата, две молекулы NADH и две молекулы АТР (весь этот пропесс протекает в цитозоле):

Затем две пары электронов от двух молекул цитозольного NADH, образовавшихся в процессе гликолиза под действием глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (разд. 15.7), переносятся в митохондрии при помощи малат-аспартатной челночной системы. Здесь они поступают в цепь переноса электронов и направляются через ряд последовательных переносчиков на кислород. Этот процесс дает поскольку окисление двух молекул NADH описывается следующим уравнением:

(Конечно, если вместо малат-аспартатной челночной системы действует глицеролфосфатная, то на каждую молекулу NADH образуются не три, а только две молекулы АТР.)

Теперь мы можем написать полное уравнение окисления двух молекул пирувата с образованием двух молекул ацетил-СоА и двух молекул в митохондриях. В результате этого окисления образуются две молекулы NADH. которые передают затем два своих электрона через дыхательную цепь на кислород, что сопровождается синтезом трех молекул АТР на каждую пару перенесенных электронов:

Напишем также уравнение для окисления двух молекул ацетил-СоА до через цикл лимонной кислоты и для окислительного фосфорилирования, сопряженного с переносом на кислород электронов, отщепляемых от изоцитрата, -кетоглутарата и малата: при этом на каждую пару перенесенных электронов образуются по три молекулы АТР. Добавим к этому две молекулы АТР, образующиеся при окислении сукцината, и еще две, которые образуются из сукцинил-СоА через GTP (разд. 16.5,д):

Если теперь просуммировать эти четыре уравнения и сократить общие члены, то мы получим суммарное уравнение для гликолиза и дыхания:

Итак, на каждую молекулу глюкозы, претерпевающую полное окисление до в печени, почках или миокарде, т. е. там, где функционирует малат-аспартатная челночная система, образуется максимум 38 молекул АТР. (Если вместо малат-аспартатной системы действует глицеролфосфатная, то на каждую полностью окисленную молекулу глюкозы образуется 36 молекул АТР.) Теоретический выход свободной энергии при полном окислении глюкозы равен, таким образом, в стандартных условиях (1,0 М). В интактных же клетках эффективность этого превращения, вероятно, превышает 70%, поскольку внутриклеточные концентрации глюкозы, и АТР не одинаковы и значительно ниже 1,0 М, т.е. той концентрации, из которой принято исходить при расчетах стандартной свободной энергии (см. дополнение 14-2).