Пищеварение - это расщепление углеводов с образованием богатого энергией соединения, называемого АТФ . Производства АТФ достигается за счет окисления от глюкозы молекул. При окислении электроны отщепляются от молекулы глюкозы для восстановления НАД + и ФАД . НАД + и ФАД обладают высоким энергетическим потенциалом для стимулирования производства АТФ в цепи переноса электронов . Производство АТФ происходит в митохондриях клетки. 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 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 ).
Глюкоза реагирует с кислородом в следующей реакции: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O. Диоксид углерода и вода являются отходами, и в целом реакция экзотермична из-за относительно слабого, высокоэнергетического двойного связь O 2 . [2]
Таким образом, реакция глюкозы с кислородом, выделяющая энергию в виде молекул АТФ, является одним из наиболее важных биохимических путей, обнаруженных в живых организмах.
Гликолиз
Гликолиз , что означает «расщепление сахара», является начальным процессом в пути клеточного дыхания . Гликолиз может быть аэробным или анаэробным процессом. Когда присутствует кислород , гликолиз продолжается по пути аэробного дыхания. Если кислорода нет, то производство АТФ ограничивается анаэробным дыханием . Место , где гликолиза, аэробные или анаэробные, происходит это в цитозоле в клетке . При гликолизе шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы, называемые пируватом . Эти молекулы углерода окисляются до НАДН и АТФ. Для окисления молекулы глюкозы в пируват требуется ввод молекул АТФ. Это известно как инвестиционная фаза, в 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, две продуцируемые молекулы АТФ немногочисленны по сравнению со вторым и третьим путями, циклом Кребса и окислительным фосфорилированием . [3]
Ферментация
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 возобновления поступления НАД + называется брожением и делится на две категории. [3]
Спиртовое брожение
При спиртовой ферментации, когда молекула глюкозы окисляется, побочными продуктами являются этанол (этиловый спирт) и диоксид углерода . Органическая молекула , которая отвечает за возобновление подачи НАД + в этом типе брожения пирувата из гликолиза. Каждый пируват высвобождает молекулу углекислого газа, превращаясь в ацетальдегид . Затем ацетальдегид восстанавливается НАДН, образующимся в результате гликолиза, с образованием спиртовых отходов, этанола, и с образованием НАД +, тем самым пополняя его запасы для гликолиза, чтобы продолжить производство АТФ. [3]
Молочная ферментация
При ферментации молочной кислоты каждая молекула пирувата непосредственно восстанавливается НАДН. Единственный побочный продукт этого типа брожения - лактат . Ферментация молочной кислоты используется мышечными клетками человека как средство выработки АТФ во время физических нагрузок, когда потребление кислорода выше, чем поступающий кислород. По мере развития этого процесса избыток лактата попадает в печень , которая превращает его обратно в пируват. [3]
Дыхание
Цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса)
Если присутствует кислород, то после гликолиза две молекулы пирувата попадают в саму митохондрию , чтобы пройти цикл Кребса . В этом цикле молекулы пирувата от гликолиза далее расщепляются, чтобы использовать оставшуюся энергию. Каждый пируват проходит через ряд реакций, преобразует его в ацетил - коэнзим А . Отсюда, только ацетил группа участвует в цикле Кребса , в котором он проходит через ряд окислительно - восстановительные реакции , катализируемый с помощью ферментов , дальнейшей упряжи энергии из группы ацетила. Энергия ацетильной группы в форме электронов используется для восстановления НАД + и ФАД до НАДН и ФАДН 2 соответственно. НАДН и ФАДН 2 содержат накопленную энергию, полученную от исходной молекулы глюкозы, и используются в цепи переноса электронов, где производится основная часть АТФ. [3]
Окислительного фосфорилирования
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, 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 O 2 . [2] Вторым фактором является то , 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 своим собственным градиентом 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 экзэргонического потока электронов через мембрану. Эти электроны поставляются NADH и FADH 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-синтазой , белок, который превращает АДФ в АТФ с помощью ионов H +. [3]
Смотрите также
- клеточное дыхание
Рекомендации
- Перейти ↑ Weiss, HM (2008). «Оценивая кислород» J. Chem. Educ. 85 : 1218-1219.
- ^ a b c Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород высокоэнергетической Молекулы Powering комплекса многоклеточный: Основные поправки к традиционной биоэнергетике» ACS Omega 5 :. 2221-2233 http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
- ^ a b c d e f 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.