Катаболизм углеводов
Пищеварение — это расщепление углеводов с образованием богатого энергией соединения, называемого АТФ . Производство АТФ достигается за счет окисления молекул глюкозы . При окислении электроны отрываются от молекулы глюкозы, восстанавливая НАД+ и ФАД . НАД+ и ФАД обладают высоким энергетическим потенциалом для стимулирования производства АТФ в цепи переноса электронов . Производство АТФ происходит в митохондриях клетки. Существует два способа производства АТФ: аэробный и анаэробный . При аэробном дыхании необходим кислород. Использование кислорода увеличивает выработку АТФ с 4 молекул АТФ до примерно 30 молекул АТФ.При анаэробном дыхании кислород не требуется. Когда кислород отсутствует, образование АТФ продолжается посредством ферментации. Существует два типа брожения: спиртовое брожение и молочнокислое брожение .
Существует несколько различных типов углеводов : полисахариды (например, крахмал , амилопектин , гликоген , целлюлоза ), моносахариды (например, глюкоза , галактоза , фруктоза , рибоза ) и дисахариды (например, сахароза , мальтоза , лактоза ).
Моносахариды , также известные как простые сахара, являются самой основной, фундаментальной единицей углеводов. Это простые сахара с общей химической структурой C6H12O6.
Дисахариды – это разновидность углеводов. Дисахариды состоят из сложных сахаров, содержащих два моносахарида с отщеплением молекулы воды с общей химической структурой C12H22O11.
Олигосахариды — это углеводы, состоящие из полимера, содержащего от трех до десяти моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями.
Глюкоза реагирует с кислородом по следующей реакции C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O. Углекислый газ и вода являются побочными продуктами, и вся реакция является экзотермической .
Таким образом, реакция глюкозы с кислородом, высвобождающая энергию в виде молекул АТФ, является одним из наиболее важных биохимических путей, обнаруженных в живых организмах.
Гликолиз
[ редактировать ]Гликолиз , что означает «расщепление сахара», является начальным процессом клеточного дыхания . Гликолиз может быть аэробным или анаэробным процессом. При кислорода наличии гликолиз продолжается по пути аэробного дыхания. Если кислорода нет, то производство АТФ ограничивается анаэробным дыханием . Местом, где происходит гликолиз, аэробный или анаэробный, цитозоль клетки является . При гликолизе шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы, называемые пируватом . Эти молекулы углерода окисляются до НАДН и АТФ. Чтобы молекула глюкозы окислилась в пируват, необходимо участие молекул АТФ. Это так называемая инвестиционная фаза, во время которой потребляются в общей сложности две молекулы АТФ. В конце гликолиза общий выход АТФ составляет четыре молекулы, а чистый прирост — две молекулы АТФ. Несмотря на то, что АТФ синтезируется, две образующиеся молекулы АТФ немногочисленны по сравнению со вторым и третьим путями, циклом Кребса и окислительным фосфорилированием. . [1]
Ферментация
[ редактировать ]Даже если кислорода нет, гликолиз может продолжать генерировать АТФ. Однако для того, чтобы гликолиз продолжал производить АТФ, должен присутствовать НАД+, который отвечает за окисление глюкозы. Это достигается путем переработки НАДН обратно в НАД+. Когда НАД+ восстанавливается до НАДН, электроны НАДН в конечном итоге передаются отдельной органической молекуле, превращая НАДН обратно в НАД+. Этот процесс возобновления поставок НАД+ называется ферментацией, которая делится на две категории. [1]
Алкогольная ферментация
[ редактировать ]При спиртовом брожении, когда молекула глюкозы окисляется, этанол (этиловый спирт) и углекислый газ являются побочными продуктами . Органической молекулой , которая отвечает за возобновление поставок НАД+ при этом типе ферментации, является пируват, образующийся в результате гликолиза. Каждый пируват выделяет молекулу углекислого газа, превращающуюся в ацетальдегид . Затем ацетальдегид восстанавливается за счет НАДН, образующегося в результате гликолиза, с образованием спиртовых отходов, этанола, и образования НАД+, тем самым пополняя его запас для гликолиза для продолжения производства АТФ. [1]
Молочнокислое брожение
[ редактировать ]При молочнокислом брожении каждая молекула пирувата напрямую восстанавливается НАДН. Единственным побочным продуктом этого типа ферментации является лактат . Ферментация молочной кислоты используется мышечными клетками человека как средство выработки АТФ во время напряженных физических упражнений, когда потребление кислорода превышает поставляемый кислород. По мере прогрессирования этого процесса избыток лактата поступает в печень , которая превращает его обратно в пируват. [1]
Дыхание
[ редактировать ]Цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса)
[ редактировать ]Если присутствует кислород, то после гликолиза две молекулы пирувата переносятся в саму митохондрия , чтобы пройти цикл Кребса . В этом цикле молекулы пирувата, образующиеся в результате гликолиза, далее расщепляются, чтобы использовать оставшуюся энергию. Каждый пируват проходит ряд реакций, в результате которых он превращается в ацетил-коэнзим А. Отсюда только ацетильная группа участвует в цикле Кребса, в котором она проходит серию восстановительных реакций , катализируемых ферментами окислительно - , для дальнейшего использования энергии ацетильной группы. Энергия ацетильной группы в форме электронов используется для восстановления НАД+ и ФАД до НАДН и ФАДН 2 соответственно. НАДН и ФАДН 2 содержат запасенную энергию, полученную из исходной молекулы глюкозы, и используется в цепи переноса электронов , где производится основная часть АТФ. [1]
Окислительное фосфорилирование
[ редактировать ]Последний процесс аэробного дыхания — окислительное фосфорилирование , также известное как цепь переноса электронов . Здесь НАДН и ФАДН 2 доставляют свои электроны к кислороду и протонам на внутренних мембранах митохондрии, способствуя выработке АТФ. Окислительное фосфорилирование обеспечивает большую часть производимого АТФ по сравнению с гликолизом и циклом Кребса. В то время как количество АТФ соответствует гликолизу, а цикл Кребса состоит из двух молекул АТФ, в цепь переноса электронов приходится не более двадцати восьми молекул АТФ. Способствующим фактором является энергетический потенциал НАДН и ФАДН 2 . Вторым фактором, способствующим этому, является то, что кристы , внутренние мембраны митохондрий, увеличивают площадь поверхности и, следовательно, количество белков в мембране, которые способствуют синтезу АТФ. Вдоль цепи переноса электронов имеются отдельные компартменты, каждый со своим градиентом концентрации ионов H+, которые являются источником энергии для синтеза АТФ. Для преобразования АДФ в АТФ необходимо предоставить энергию. Эта энергия обеспечивается градиентом H+. На одной стороне мембранного отсека имеется более высокая концентрация ионов H+ по сравнению с другой. Перенос H+ на одну сторону мембраны осуществляется за счет экзергонический поток электронов через мембрану. Эти электроны поставляются НАДН и ФАДН 2, поскольку они передают свою потенциальную энергию. Как только градиент концентрации H+ устанавливается, устанавливается протондвижущая сила, которая обеспечивает энергию для преобразования АДФ в АТФ. Ионы H+, которые первоначально были направлены на одну сторону мембраны митохондрий, теперь естественным образом проходят через мембранный белок, называемый АТФ-синтазой , белок, который превращает АДФ в АТФ с помощью ионов H+. [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Рис, Джейн; Урри, Лиза; Каин, Майкл; Вассерман, Стивен; Минорский, Петр; Джексон, Роберт (2011). Биология Кэмпбелла / Джейн Б. Рис ... [и др.] (9-е изд.). Бостон: Бенджамин Каммингс. стр. 164–181. ISBN 978-0321558237 .