במאמר זה, נבחן כיצד גלוקוז מתחמצן. פחמימות הן תרכובות מסוג פוליהידרוקסיקרבוניל, כמו גם נגזרותיהן. מאפיינים אופייניים הם נוכחות של קבוצות אלדהיד או קטון ולפחות שתי קבוצות הידרוקסיל.
לפי המבנה שלהם, פחמימות מתחלקות לחד-סוכרים, רב-סוכרים, אוליגוסכרידים.
חד סוכרים
חד-סוכרים הם הפחמימות הפשוטות ביותר שלא ניתן לבצע הידרוליזה. תלוי איזו קבוצה קיימת בהרכב - אלדהיד או קטון, אלדוסים מבודדים (אלה כוללים גלקטוז, גלוקוז, ריבוז) וקטוזים (ריבולוז, פרוקטוז).
אוליגוסכרידים
אוליגוסכרידים הם פחמימות שיש בהרכבן בין שניים לעשרה שאריות ממקור חד-סוכר, המחוברות בקשרים גליקוזידיים. בהתאם למספר שאריות החד-סוכרים, מובחנים דו-סוכרים, תלת-סוכרים וכן הלאה. מה נוצר כאשר גלוקוז מתחמצן? זה יידון מאוחר יותר.
פוליסכרידים
פוליסכרידיםהן פחמימות המכילות יותר מעשרה שרידי חד סוכר המחוברים ביניהם בקשרים גליקוזידיים. אם הרכב הרב-סוכר מכיל את אותם שאריות חד-סוכר, אז הוא נקרא הומפוליסכריד (למשל עמילן). אם שאריות כאלה שונות, אז עם הטרופוליסכריד (לדוגמה, הפרין).
מהי החשיבות של חמצון גלוקוז?
פונקציות של פחמימות בגוף האדם
פחמימות מבצעות את הפונקציות העיקריות הבאות:
- אנרגיה. התפקיד החשוב ביותר של פחמימות, שכן הן משמשות כמקור האנרגיה העיקרי בגוף. כתוצאה מהחמצון שלהם, יותר ממחצית מצרכי האנרגיה של האדם מסופקים. כתוצאה מחמצון של גרם אחד של פחמימות, משתחררים 16.9 קילו-ג'יי.
- שמורה. גליקוגן ועמילן הם סוג של אחסון חומרים מזינים.
- מבנית. תאית וכמה תרכובות פוליסכרידים אחרות מהווים מסגרת חזקה בצמחים. כמו כן, הם, בשילוב עם ליפידים וחלבונים, הם מרכיב של כל הביו-ממברנות של התא.
- מגן. הטרופוליסכרידים חומציים ממלאים את התפקיד של חומר סיכה ביולוגי. הם מרפדים את משטחי המפרקים שנוגעים ומשפשפים זה את זה, את הריריות של האף, את מערכת העיכול.
- נוגד קרישה. לפחמימה כמו הפרין יש תכונה ביולוגית חשובה, כלומר היא מונעת קרישת דם.
- פחמימות הן מקור לפחמן הנחוץ לסינתזה של חלבונים, שומנים וחומצות גרעין.
עבור הגוף, המקור העיקרי לפחמימות הוא פחמימות תזונתיות - סוכרוז, עמילן, גלוקוז, לקטוז). גלוקוז יכול להיות מסונתז בגוף עצמו מחומצות אמינו, גליצרול, לקטט ופירובאט (גלוקונאוגנזה).
Glycolysis
גליקוליזה היא אחת משלוש צורות אפשריות של תהליך חמצון הגלוקוז. בתהליך זה משתחררת אנרגיה, שנאגרת לאחר מכן ב-ATP וב-NADH. אחת מהמולקולות שלו מתפרקת לשתי מולקולות של פירובט.
תהליך הגליקוליזה מתרחש תחת פעולתם של מגוון חומרים אנזימטיים, כלומר זרזים בעלי אופי ביולוגי. חומר החמצון החשוב ביותר הוא חמצן, אך ראוי לציין שתהליך הגליקוליזה יכול להתבצע בהיעדר חמצן. סוג זה של גליקוליזה נקרא אנאירובי.
גליקוליזה אנאירובית היא תהליך של חימצון גלוקוז. עם גליקוליזה זו, חמצון גלוקוז אינו מתרחש לחלוטין. כך, במהלך החמצון של גלוקוז, נוצרת רק מולקולה אחת של פירובט. במונחים של יתרונות אנרגטיים, גליקוליזה אנאירובית מועילה פחות מאשר אירובית. עם זאת, אם חמצן נכנס לתא, ניתן להמיר גליקוליזה אנאירובית לאירובית, שהיא חמצון מוחלט של גלוקוז.
מנגנון של גליקוליזה
גליקוליזה מפרקת גלוקוז בעל שישה פחמנים לשתי מולקולות של פירובט שלושה פחמנים. התהליך כולו מחולק לחמישה שלבי הכנה וחמישה נוספים, במהלכם מאוחסן ATPאנרגיה.
לפיכך, הגליקוליזה מתקדמת בשני שלבים, שכל אחד מהם מחולק לחמישה שלבים.
שלב 1 של תגובת חמצון הגלוקוז
- השלב הראשון. השלב הראשון הוא זרחון גלוקוז. הפעלת סכרידים מתרחשת על ידי זרחון באטום הפחמן השישי.
- שלב שני. יש תהליך של איזומריזציה של גלוקוז-6-פוספט. בשלב זה, הגלוקוז הופך לפרוקטוז-6-פוספט על ידי פוספוגלוקואיזומראז קטליטי.
- שלב שלישי. זרחון של פרוקטוז-6-פוספט. בשלב זה, היווצרות פרוקטוז-1,6-דיפוספט (נקרא גם אלדולאז) מתרחשת בהשפעת פוספופרוקטוקינאז-1. הוא מעורב בליווי קבוצת הזרחן מחומצה טרי-פוספורית אדנוזין למולקולת הפרוקטוז.
- השלב הרביעי. בשלב זה מתרחש ביקוע אלדולאז. כתוצאה מכך, נוצרות שתי מולקולות פוספט טריוז, במיוחד קטוזים ואלדוזים.
- השלב החמישי. איזומריזציה של טריוז פוספטים. בשלב זה, גליצרלדהיד-3-פוספט נשלח לשלבים הבאים של פירוק הגלוקוז. במקרה זה, המעבר של פוספט dihydroxyacetone לצורת גליצרלדהיד-3-פוספט מתרחש. מעבר זה מתבצע תחת פעולת אנזימים.
- השלב השישי. תהליך החמצון של גליצרלדהיד-3-פוספט. בשלב זה, המולקולה מתחמצנת ולאחר מכן מפוספוריל לדיפוספוגליצראט-1, 3.
- שלב שביעי. שלב זה כולל העברה של קבוצת הפוספטים מ-1,3-דיפוספוגליצרט ל-ADP. התוצאה הסופית של שלב זה היא 3-פוספוגליצרטו-ATP.
שלב 2 - חמצון מוחלט של גלוקוז
- השלב השמיני. בשלב זה מתבצע המעבר של 3-פוספוגליצרט ל-2-פוספוגליצרט. תהליך המעבר מתבצע תחת פעולת אנזים כגון פוספוגליצראט מוטאז. תגובה כימית זו של חמצון גלוקוז ממשיכה עם נוכחות חובה של מגנזיום (Mg).
- השלב התשיעי. בשלב זה מתרחשת התייבשות של 2-פוספוגליצרט.
- השלב העשירי. ישנה מעבר של פוספטים המתקבלים כתוצאה מהשלבים הקודמים ל-PEP ו-ADP. Phosphoenulpyrovate מועבר ל-ADP. תגובה כימית כזו אפשרית בנוכחות יוני מגנזיום (Mg) ואשלגן (K).
בתנאים אירוביים, כל התהליך מגיע ל-CO2 ו-H2O. המשוואה לחמצון גלוקוז נראית כך:
S6N12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O + 2880 kJ/mol.
לכן, אין הצטברות של NADH בתא במהלך היווצרות לקטט מגלוקוז. המשמעות היא שתהליך כזה הוא אנאירובי, והוא יכול להתקדם בהיעדר חמצן. חמצן הוא מקבל האלקטרונים הסופי שמועבר על ידי NADH לשרשרת הנשימה.
בתהליך חישוב מאזן האנרגיה של התגובה הגליקוליטית, יש לקחת בחשבון שכל שלב בשלב השני חוזר פעמיים. מכאן אנו יכולים להסיק ששתי מולקולות ATP עוברות בשלב הראשון, ו-4 מולקולות ATP נוצרות בשלב השני על ידי זרחון.סוג המצע. המשמעות היא שכתוצאה מהחמצון של כל מולקולת גלוקוז, התא צובר שתי מולקולות ATP.
בדקנו את החמצון של גלוקוז על ידי חמצן.
מסלול חמצון גלוקוז אנאירובי
חמצון אירובי הוא תהליך חמצון שבו משתחררת אנרגיה ומתמשכת בנוכחות חמצן, הפועל כמקבל סופי של מימן בשרשרת הנשימה. התורם של מולקולות המימן הוא הצורה המופחתת של קו-אנזימים (FADH2, NADH, NADPH), הנוצרים במהלך תגובת הביניים של חמצון המצע.
תהליך חמצון הגלוקוז מסוג דיכוטומי אירובי הוא המסלול העיקרי לקטבוליזם של גלוקוז בגוף האדם. סוג זה של גליקוליזה יכול להתבצע בכל הרקמות והאיברים של גוף האדם. התוצאה של תגובה זו היא פיצול מולקולת הגלוקוז למים ופחמן דו חמצני. לאחר מכן האנרגיה המשתחררת תישמר ב-ATP. ניתן לחלק את התהליך הזה לשלושה שלבים:
- תהליך המרת מולקולת גלוקוז לזוג מולקולות חומצה פירובית. התגובה מתרחשת בציטופלזמה של התא ומהווה מסלול ספציפי לפירוק גלוקוז.
- תהליך היווצרות אצטיל-CoA כתוצאה מדקרבוקסילציה חמצונית של חומצה פירובית. תגובה זו מתרחשת במיטוכונדריה התאית.
- תהליך החמצון של אצטיל-CoA במחזור קרבס. התגובה מתרחשת במיטוכונדריה התאית.
בכל שלב בתהליך זה,צורות מופחתות של קו-אנזימים מחומצנות על ידי מתחמי אנזימים של שרשרת הנשימה. כתוצאה מכך, ATP נוצר כאשר גלוקוז מתחמצן.
היווצרות קו-אנזימים
קו-אנזימים, שנוצרים בשלב השני והשלישי של הגליקוליזה האירובית, יתחמצנו ישירות במיטוכונדריה של התאים. במקביל לכך, ל-NADH, שנוצרה בציטופלזמת התא במהלך התגובה של השלב הראשון של הגליקוליזה האירובית, אין יכולת לחדור דרך הממברנות המיטוכונדריות. מימן מועבר מ-NADH ציטופלזמי למיטוכונדריה התאית באמצעות מחזורי מעבורת. בין המחזורים הללו ניתן להבחין בעיקרי - מלאט-אספרטאט.
לאחר מכן, בעזרת NADH ציטופלזמי, אוקסלואצטט מופחת למאלאט, שבתורו, נכנס למיטוכונדריה התאית ואז מתחמצן כדי להפחית את ה-NAD המיטוכונדריאלי. אוקסלואצטט חוזר לציטופלזמה של התא כאספרטאט.
צורות משתנות של גליקוליזה
הגליקוליזה עשויה להיות מלווה בנוסף בשחרור של 1, 3 ו-2, 3-biphosphoglycerates. במקביל, 2,3-ביפוספוגליצרט בהשפעת זרזים ביולוגיים יכול לחזור לתהליך הגליקוליזה, ולאחר מכן לשנות את צורתו ל-3-פוספוגליצרט. אנזימים אלו ממלאים מגוון תפקידים. לדוגמה, 2,3-biphosphoglycerate, המצוי בהמוגלובין, מקדם את העברת החמצן לרקמות, תוך כדי תרומה לניתוק ולירידה בזיקה של חמצן ותאי דם אדומים.
מסקנה
חיידקים רבים יכולים לשנות את צורת הגליקוליזה בשלביה השונים. במקרה זה, ניתן להפחית את מספרם הכולל או לשנות את השלבים הללו כתוצאה מפעולה של תרכובות אנזימטיות שונות. לחלק מהאנאירובים יש את היכולת לפרק פחמימות בדרכים אחרות. לרוב התרמופילים יש רק שני אנזימים גליקוליטים, במיוחד אנולאז ופירובאט קינאז.
בדקנו כיצד גלוקוז מתחמצן בגוף.
