Катаболизм углеводов - Carbohydrate catabolism

Пищеварение расщепление углеводов с образованием богатого энергией соединения, называемого АТФ. Производство АТФ достигается за счет окисление из глюкоза молекулы. При окислении электроны отрываются от молекулы глюкозы до уменьшать НАД + и FAD. НАД + и ФАД обладают высоким энергетическим потенциалом для стимулирования производства АТФ в электронная транспортная цепь. Производство АТФ происходит в митохондрии ячейки. Есть два метода производства АТФ: аэробный и анаэробный. При аэробном дыхании требуется кислород. Кислород как молекула с высокой энергией [1][2] увеличивает производство АТФ с 4 молекул АТФ до примерно 30 молекул АТФ. При анаэробном дыхании кислород не требуется. Когда кислород отсутствует, производство АТФ продолжается в процессе ферментации. Есть два типа ферментации: спиртовое брожение и молочнокислое брожение.

Есть несколько разных типов углеводы: полисахариды (например., крахмал, амилопектин, гликоген, целлюлоза ), моносахариды (например., глюкоза, галактоза, фруктоза, рибоза ) и дисахариды (например., сахароза, мальтоза, лактоза ).

Глюкоза реагирует с кислородом в следующей реакции: C6ЧАС12О6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2О. Углекислый газ и вода являются отходами, и общая реакция экзотермический из-за относительно слабой, высокоэнергетической двойной связи O2.[2]

Реакция глюкозы с кислородом с выделением энергии в виде молекул АТФ поэтому один из самых важных биохимические пути содержится в живых организмах.

Гликолиз

Основная статья: Гликолиз

Гликолиз, что означает «расщепление сахара», - это начальный процесс в клеточное дыхание путь. Гликолиз может быть аэробный или же анаэробный процесс. Когда кислород присутствует, гликолиз продолжается по пути аэробного дыхания. Если кислорода нет, то АТФ производство ограничено анаэробное дыхание. Место, где происходит аэробный или анаэробный гликолиз, находится в цитозоль из ячейка. При гликолизе шестиуглеродный глюкоза молекула разделена на две трехуглеродные молекулы, называемые пируват. Эти молекулы углерода окисленный в НАДН и АТФ. Для окисления молекулы глюкозы в пируват требуется ввод молекул АТФ. Это известно как фаза инвестирования, во время которой потребляются в общей сложности две молекулы АТФ. В конце гликолиза общий выход АТФ составляет четыре молекулы, но чистый выигрыш составляет две молекулы АТФ. Несмотря на то, что АТФ синтезируется, двух продуцируемых молекул АТФ мало по сравнению со вторым и третьим путями, Цикл Кребса и окислительного фосфорилирования.[3]

Ферментация

Основная статья: Ферментация (биохимия)

Даже если кислород отсутствует, гликолиз может продолжать генерировать АТФ. Однако, чтобы гликолиз продолжал производить АТФ, должен присутствовать НАД +, который отвечает за окисление глюкозы. Это достигается путем рециркуляции NADH обратно в NAD +. Когда НАД + восстанавливается до НАДН, электроны НАДН в конечном итоге переносятся на отдельную органическую молекулу, превращая НАДН обратно в НАД +. Этот процесс пополнения запаса НАД + называется брожением и делится на две категории.[3]

Спиртовое брожение

При спиртовой ферментации, когда молекула глюкозы окисляется, этиловый спирт (этиловый спирт) и углекислый газ находятся побочные продукты. В органическая молекула за возобновление поступления НАД + в этом типе ферментации отвечает пируват от гликолиза. Каждый пируват высвобождает молекулу углекислого газа, превращаясь в ацетальдегид. Затем ацетальдегид восстанавливается НАДН, образующимся при гликолизе, с образованием спиртовых отходов, этанола, и с образованием НАД +, тем самым пополняя его запасы для гликолиза, чтобы продолжить производство АТФ.[3]

Молочная ферментация

В молочнокислое брожение каждая молекула пирувата напрямую восстанавливается НАДН. Единственным побочным продуктом этого типа ферментации является лактат. Брожение молочной кислоты используется человеком мышечные клетки как средство выработки АТФ во время напряженных упражнение где потребление кислорода выше, чем подаваемый кислород. По мере развития этого процесса избыток лактата попадает в печень, который превращает его обратно в пируват.[3]

Дыхание

Основная статья: Клеточное дыхание

Цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса)

Если присутствует кислород, то после гликолиза две молекулы пирувата попадают в митохондрия сам пройти через Цикл Кребса. В этом цикле молекулы пирувата от гликолиза дополнительно расщепляются, чтобы использовать оставшуюся энергию. Каждый пируват проходит ряд реакций, в результате которых он превращается в ацетилкофермент А. Отсюда только ацетильная группа участвует в цикле Кребса, в котором проходит ряд окислительно-восстановительные реакции, катализированный к ферменты, чтобы еще больше использовать энергию ацетильной группы. Энергия ацетильной группы в виде электроны, используется для восстановления NAD + и FAD до NADH и FADH2, соответственно. НАДН и ФАД2 содержат запасенную энергию, полученную от исходной молекулы глюкозы и используемую в электронная транспортная цепь где производится основная часть АТФ.[3]

Окислительного фосфорилирования

Последний процесс аэробного дыхания - это окислительного фосфорилирования, также известный как электронная транспортная цепь. Здесь НАДХ и ФАД2 доставляют свои электроны к кислороду и протонам на внутренних мембранах митохондрий, облегчая производство АТФ. Окислительное фосфорилирование способствует большей части производимого АТФ по сравнению с гликолизом и циклом Кребса. В то время как количество АТФ - это гликолиз, а цикл Кребса - это две молекулы АТФ, цепь переноса электронов вносит вклад в самое большее двадцать восемь молекул АТФ. Способствующий фактор связан с энергетическим потенциалом НАДН и ФАДН.2. Когда они переносятся из начального процесса, гликолиза, в цепь переноса электронов, они разблокируют энергию, запасенную в относительно слабых двойных связях O2.[2] Второй способствующий фактор заключается в том, что кристы, внутренние мембраны митохондрий, увеличивают площадь поверхности и, следовательно, количество белков в мембране, которые способствуют синтезу АТФ. Вдоль цепи переноса электронов есть отдельные отсеки, каждый со своими собственными градиент концентрации ионов H +, которые являются источником энергии для синтеза АТФ. Чтобы преобразовать АДФ в АТФ, необходима энергия. Эта энергия обеспечивается градиентом H +. С одной стороны мембранного отсека находится высокая концентрация ионов H + по сравнению с другой. Перемещение H + на одну сторону мембраны происходит за счет экзергонический поток электронов через мембрану. Эти электроны поставляются НАДН и ФАДН.2 поскольку они передают свою потенциальную энергию. После установления градиента концентрации H + устанавливается протонодвижущая сила, которая обеспечивает энергию для преобразования АДФ в АТФ. Ионы H +, которые первоначально были вытеснены на одну сторону митохондриальной мембраны, теперь естественным образом проходят через мембранный белок, называемый АТФ-синтаза, белок, который превращает АДФ в АТФ с помощью ионов H +.[3]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вайс, Х. М. (2008). «Ценить кислород» J. Chem. Educ. 85: 1218-1219.
  2. ^ а б c Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород - это высокоэнергетическая молекула, питающая сложную многоклеточную жизнь: фундаментальные поправки к традиционной биоэнергетике» СКУД Омега 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  3. ^ а б c d е ж Рис, Джейн; Урри, Лиза; Каин, Михаил; Вассерман, Стивен; Минорский, Петр; Джексон, Роберт (2011). Биология Кэмпбелла / Джейн Б. Рис ... [и др.] (9-е изд.). Бостон: Бенджамин Каммингс. С. 164–181. ISBN  978-0321558237.