Биологическая роль глюкозы в организме человека

Строение молекулы.

При изучении состава глюкозы выяснили, что её простейшая формула СН2О, а молярная масса 180 г/моль. Отсюда можно сделать вывод, что молекулярная формула глюкозы С6Н12О6.

Для установления структурной формулы молекулы глюкозы необходимо знать её химические свойства. Экспериментально доказали, что один моль глюкозы реагирует с пятью молями уксусной кислоты с образованием сложного эфира. Это означает, что в молекуле глюкозы имеется пять гидроксильных групп. Так как глюкоза с аммиачным раствором оксида серебра даёт реакцию «серебряного зеркала», то в её молекуле должна быть также альдегидная группа.

Опытным путём также доказали, что глюкоза имеет неразветвлённую углеродную цепь.

На основании этих данных строение молекулы глюкозы можно выразить следующим образом:

Биологическое значение глюкозы, её применение.

Глюкоза — необходимый компонент пищи, один из главных участников обме-на веществ в организме, очень питательна и легко усваивается. При её окис-лении выделяется больше трети используемой в организме энергий ресурс — жиры, но роль жиров и глюкозы в энергетике разных органов различна. Сердце в качестве топлива используется жирные кислоты. Скелетным мыш-цам глюкоза нужна для “запуска”, а вот нервные клетки, в том числе и клетки головного мозга работают только на глюкозе. Их потребность составляет 20-30% вырабатываемой энергии. Нервным клеткам энергия нужна каждую се-кунду, а глюкозу организм получает при приёме пищи. Глюкоза легко усваивается организмом, поэтому ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Специфические олигосахариды определяют группу крови. В кондитерском деле для изготовления мармелада, карамели, пряников и т.д. Большое значение имеют процессы брожения глю-козы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, также как и при силосовании кормов. На практике используется и спиртовое брожение глюкозы, например, при про-изводстве пива. Целлюлоза – исходное вещество для получения шелка, ваты, бумаги.
Углеводы действительно самые распространенные органические вещества на Земле, без которых невозможно существование живых организмов.
В живом организме в процессе метаболизма глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии:


Глюкоза
относится к углеводам и представляет собой один из продуктов обмена веществ организма человека и животных. В обмене веществ глюкоза имеет главным образом энергетическое значение. При полном распаде 1 г глюкозы выделяется 17,15 кДж (4,1 ккал) тепла. Выделяемая при этом энергия обеспечивает деятельность клеток организма. Особенно велико энергетическое значение глюкозы для таких интенсивно функционирующих органов, как ЦНС, сердце, мышцы. В связи с этим глюкоза широко применяется как общеукрепляющее средство при многих хронических заболеваниях, сопровождающихся физическим истощением.

Глюкоза повышает способность печени к обезвреживанию различных ядов, чем в значительной мере объясняются антитоксические свойства глюкозы. Кроме того, при отравлениях применение больших количеств растворов глюкозы сопровождается уменьшением концентрации ядов в крови за счет увеличения массы циркулирующей в сосудах жидкости и усиления мочеотделения.

1.Полисахариды (гликаны) – это молекулы полимерных углеводов, соединенных длинной цепочкой , объединённые вместе гликозидной связью, а при гидролизе становятся составной частью моносахаридов илиолигосахаридов

2.Физические св-ва крахмала .это белый порошок ,нерастворимый в холодной воде .В горячей воде набухает образуя клейстр .

. Нахождение в природе

Крахмал – основной источник резервной энергии в растительных клетках – образуется в растениях в процессе фотосинтеза и накапливается в клубнях, корнях, семенах: 6CO2 + 6H2O свет, хлорофилл → C6H12O6 + 6O2

Содержится в клубнях картофеля, зёрнах пшеницы, риса, кукурузы.Гликоген (животный крахмал), образуется в печени и мышцах животных.

. Биологическая роль.

Крахмал – один из продуктов фотосинтеза, главное питательное запасное вещество растений. Крахмал – основной углевод в пище человека.

3. 1) При действии ферментов или при нагревании с кислотами (ионы водорода служат катализатором) крахмал, как и все сложные углеводы, подвергается гидролизу. При этом сначала образуется растворимый крахмал, затем менее сложные вещества — декстрины. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. Можно выразить суммарное уравнение реакции следующим образом:


Происходит постепенное расщепление макромолекул. Гидролиз крахмала — его важное химическое свойство.
-глюкозы. Процесс образования крахмала можно выразить так (реакция поликонденсации):a2) Крахмал не дает реакции «серебряного зеркала», но ее дают продукты его гидролиза. Макромолекулы крахмала состоят из многих молекул циклической


3) Характерной реакцией является взаимодействие крахмала с растворами иода. Если к охлажденному крахмальному клейстеру добавить раствор иода, то появляется синее окрашивание. При нагревании клейстера оно исчезает, а при охлаждении появляется вновь. Этим свойством пользуются при определении крахмала в пищевых продуктах. Так, например, если каплю иода нанести на срез картофеля или ломтик белого хлеба, то появляется синее окрашивание.

Целлюлоза является веществом, широко распространенным в растительном

мире. Она входит в состав как однолетних растений, так и многолетних, в частности — в состав древесных пород.

Современная теория строения целлюлозы отвечает на следующие основные вопросы [1-3]:

— Строение макромолекул целлюлозы: химическое строение элементарного звена и макромолекулы в целом; конформация макромолекулы и ее звеньев.

— Молекулярная масса целлюлозы и ее полидисперсность.

— Структура целлюлозы: равновесное фазовое состояние целлюлозы (аморфное или кристаллическое); типы связей между макромолекулами; надмолекулярная структура; структурная неоднородность целлюлозы; структурные модификации целлюлозы.

2) Строение макромолекулы целлюлозы может быть представлено формулой

С6Н10О5)n +nH2O=nC6H12O6 бета-глюкоза

Ацетатные волокна — один из основных видов искусственных волокон; получают из ацетилцеллюлозы. В зависимости от типа исходного сырья различают триацетатное волокно (из триацетилцеллюлозы) и собственно ацетатные волокна

Виско́за — (от позднелат. viscosus — зябкий) высоковязкий концентрированный раствор ксантогената целлюлозы в разбавленном растворе NaOH.

7. ЦЕЛЛЮЛОЗА является основной частью стенок растений. (рисунок «Природные материалы, содержащие целлюлозу» — слайд 7, урок 21). Относительно чистой целлюлозой являются волокна хлопчатника, джута и конопли. Древесина содержит от 40 до 50% целлюлозы, солома — 30%. Целлюлоза растений служит питательным веществом для травоядных животных, в организме которых имеются расщепляющие клетчатку ферменты.
Из целлюлозы (изготавливают многочисленные искусственные волокна, полимерные пленки, пластмассы, бездымный порох, лаки. Большое количество целлюлозы идет на производство бумаги. Осахариванием целлюлозы получают глюкозу; идущую на изготовление этилового спирта. Этанол, п

С точки зрения биохимика моносахариды — это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов.

К моносахаридам относятся глюкоза, фруктоза и галактоза. Подробнее о классификации углеводов можно посмотреть в статье Биологическая роль углеводов. В данной статье рассмотрим какова биологическая роль моносахаридов.

Для любителей биохимии приведём классификацию моносахаридов .

— на стереоизомеры по конформации асиметричных атомов углерода – L- и D – формы;

— в зависимости от конформации НО-группы первого атома углерода – a и b-формы;

— в зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы – кетозы и альдозы.

Производными моносахаридов являются :

— урановые кислоты – глюкуроновая, галактуроновая, аскорбиновая кислоты. Очень часто они входят в состав протеогликанов;

— аминосахара – глюкозамин, галактозамин. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) содержат в своём составе аминосахара;

— сиаловые кислоты. Входят в состав протеогликанов и гликолипидов;

— гликозиды – примером служат сердечные гликозиды, антибиотик стрептомицин.

Биологическая роль глюкозы.

Глюкоза является альдозой и гексозой.

1. Глюкоза входит в состав крахмала, клетчатки, сахарозы.

2. Является единственным источником энергии для нервной ткани, активно используется мышцами и эритроцитами. В течение суток у человека массой 70 кг головной мозг потребляет около 100 г глюкозы, поперечно-полосатые мышцы – 35 г, эритроциты – 30 г.

Окисление 1 молекулы глюкозы в анаэробных условиях (без присутствия кислорода) даёт организму 2 молекулы АТФ, а при аэробных условиях (в присутствии кислорода) – в общей сложности 38 молекул АТФ.

Именно поэтому при снижении концентрации глюкозы в крови (гипогликемии) отмечаются слабость, вялость, заторможенность. При критической гипогликемии происходит потеря сознания, развивается коматозное состояние.

3. При достаточно большом количестве в клетке глюкоза запасается в виде гликогена.

4. В гепатоцитах (клетках печени) и адипоцитах (клетках жировой ткани) глюкоза участвует в синтезе триацилглицеролов и в гепатоцитах в синтезе холестерина.

5. Опеределённое количество глюкозы участвует в образовании рибозо-5-фосфата и НАДФН (пентозофосфатный путь).

6. Глюкоза используется для синтеза гликозаминов и затем структурных или иных гетерополисахаридов.

Постоянный уровень концентрации глюкозы в крови поддерживается с помощью гормонов поджелудочной железы инсулина и глюкагона.

Глюкоза поступает в организм при расщеплении в кишечнике продуктов содержащих крахмал, сахарозу, лактозу или мальтозу, с мёдом, фруктами, ягодами и рядом овощей, в которых она находится в свободном виде. Значительное количество глюкозы содержится в абрикосах, арбузах, баклажанах, бананах, виногораде, землянике, вишне, белокочанной капусте, малине, облепихе, хурме, черешне, тыкве.

Биологическая роль фруктозы.

Фруктоза по биохимическому строению является кетозой и гексозой.

1. Фруктоза обладает наибольшей сладостью из всех натуральных сахаров. Для достижения одинакового вкусового эффекта её нужно в 2 раза меньше, чем глюкозы или сахарозы.

2. Большая часть фруктозы при поступлении в организм быстро усваивается тканями без участия инсулина, другая часть превращается в глюкозу. Продукты, содержащие фруктозу, при определённых условиях, могут быть рекомендованы больным сахарным диабетом. Больным ожирением они противопоказаны, так как способствуют более быстрому и интенсивному набору веса, чем продукты, содержащие глюкозу. Поэтому людям с повышенной массой тела такими пищевыми веществами злоупотреблять не следует.

3. Соединяясь с железом, фруктоза образует хелатные соединения, которые намного лучше всасываются чем обычные соединения железа других продуктов, поэтому при анемии очень эффективно добавлять в свой рацион пищевые вещества, богатые фруктозой. В данной ситуации её также можно использовать и в чистом виде.

Большое количество фруктозы содержится в айве, арбузе, бананах, грушах, вишне, винограде, мёде, малине, облепихе, болгарском перце, хурме, чёрной смородине, черешне, яблоках.

Биологическая роль галактозы.

Галактоза принадлежит к альдозам и гексозам.

1. Галактоза является составной частью лактозы — дисахарида молока.

2. Большая часть галактозы превращается в печени в глюкозу, и наоборот, глюкоза способна превращаться в галактозу.

Глюкоза — основной продукт фотосинтеза, образуется в цикле Кальвина. В организме человека и животных глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов.

Катаболизм глюкозы

Катаболизм глюкозы является основным поставщиком энергии для процессов жизнедеятельности организма.

Аэробный распад глюкозы — это предельное ее окисление до CO2 и H2O. Этот процесс, являющийся основным путем катаболизма глюкозы у аэробных организмов, может быть выражен следующим суммарным уравнением:

Аэробный распад глюкозы включает несколько стадий:

  • * аэробный гликолиз — процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;
  • * общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-СоА и его дальнейшее окисление в цитратном цикле;
  • * цепь переноса электронов на кислород, сопряженная с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы.

В определённых ситуациях обеспечение кислородом тканей может не соответствовать их потребностям. Например, на начальных стадиях интенсивной мышечной работы при стрессе сердечные сокращения могут не достигать нужной частоты, а потребности мышц в кислороде для аэробного распада глюкозы велики. В подобных случаях включается процесс, который протекает без кислорода и заканчивается образованием лактата из пировиноградной кислоты.

Этот процесс называют анаэробным распадом, или анаэробным гликолизом. Анаэробный распад глюкозы энергетически малоэффективен, но именно этот процесс может стать единственным источником энергии для мышечной клетки в описанной ситуации. В даньнейшем, когда снабжение мышц кислородом будет достаточным в результате перехода сердца на ускоренный ритм, анаэробный распад переключается на аэробный.

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

1. Этапы аэробного гликолиза

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

  • 1. Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.
  • 2. Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.
  • 2. Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Пути катаболизма глюкозы. 1 — аэробный гликолиз; 2, 3 — общий путь катаболизма; 4 — аэробный распад глюкозы; 5 — анаэробный распад глюкозы (в рамке); 2 (в кружке) — стехиометрический коэффициент.

Превращение глюкозо-6-фосфата в триозофосфаты.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат.

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение — первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол — фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват — макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение 3-фосфоглицерата в пируват.

3. Окисление цитоплазматического NADH в митохондриалъной дыхательной цепи. Челночные системы

NADH, образующийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата в аэробном гликолизе, подвергается окислению путём переноса атомов водорода в митохондриальную дыхательную цепь. Однако цитозольный NADH не способен передавать водород на дыхательную цепь, потому что митоховдриальная мембрана для него непроницаема. Перенос водорода через мембрану происходит с помощью специальных систем, называемых «челночными». В этих системах водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, связанных соответствующими дегидрогеназами, т.е. с обеих сторон митохондри-альной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны 2 челночные системы. В первой из этих систем водород от NADH в цитозоле передаётся на дигидроксиацетонфосфат ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (NAD-зависимый фермент, назван по обратной реакции). Образованный в ходе этой реакции глицерол-3-фосфат, окисляется далее ферментом внутренней мембраны митохондрий — глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (FAD-зависимым ферментом). Затем протоны и электроны с FADH2 переходят на убихинон и далее по ЦПЭ.

Глицеролфосфатная челночная система работает в клетках белых мышц и гепатоцитов. Однако в клетках сердечных мышц митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа отсутствует. Вторая челночная система, в которой участвуют малат, цитозольная и митоховдриальная малат-дегидрогеназы, является более универсальной. В цитоплазме NADH восстанавливает оксалоа-цетат в малат, который при участии переносчика проходит в митохондрии, где окисляется в оксалоацетат NAD-зависимой маЛатдегидрогеназой (реакция 2). Восстановленный в ходе этой реакции NAD отдаёт водород в митоховдриальную ЦПЭ. Однако образованный из малата оксалоацетат выйти самостоятельно из митохондрий в цитозоль не может, так как мембрана митохондрий для него непроницаема. Поэтому оксалоацетат превращается в аспартат, который и транспортируется в цитозоль, где снова превращается в оксалоацетат. Превращения оксалоацетата в аспартат и обратно связаны с присоединением и отщеплением аминогруппы. Эта челночная система называется малат-аспартатной. Результат её работы — регенерация цитоплазматического NAD+ из NADH.

Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезированного АТФ. В первой системе соотношение Р/О равно 2, так как водород вводится в ЦПЭ на уровне KoQ. Вторая система энергетически более эффективна, так как передаёт водород в ЦПЭ через митохондриальный NAD+ и соотношение Р/О близко к 3.

4. Баланс АТФ при аэробном гликолизе и распаде глюкозы до СО2 и Н2О.

Выход АТФ при аэробном гликолизе

На образование фруктозо-1,6-бисфосфата из одной молекулы глюкозы требуется 2 молекулы АТФ. Реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после распада глюкозы на 2 молекулы фосфотриозы, т.е. на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят 2 реакции субстратного фосфорилирования и синтезируются 2 молекулы АТФ. Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (реакция 6), a NADH передаёт водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 3 молекулы АТФ путём окислительного фосфорилирования. В данном случае количество АТФ (3 или 2) зависит от типа челночной системы. Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата сопряжено с синтезом 5 молекул АТФ. Учитывая, что из глюкозы образуются 2 молекулы фосфотриозы, полученную величину нужно умножить на 2 и затем вычесть 2 молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, выход АТФ при аэробном гликолизе составляет (5Ч2) — 2 = 8 АТФ.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов в результате гликолиза образуется пируват, который далее окисляется до СО2 и Н2О в ОПК. Теперь можно оценить энергетическую эффективность гликолиза и ОПК, которые вместе составляют процесс аэробного распада глюкозы до конечных продуктов Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО2 и Н2О составляет 38 моль АТФ. В процессе аэробного распада глюкозы происходят 6 реакций дегидрирования. Одна из них протекает в гликолизе и 5 в ОПК.Субстраты для специфических NAD-зависимых дегидрогеназ: глицеральдегид-3-фосфат, жируват, изоцитрат, б-кетоглутарат, малат. Одна реакция дегидрирования в цитратном цикле под действием сукцинатдегидрогеназы происходит с участием кофермента FAD. Общее количество АТФ, синтезированное путём окислительного фофорилирования, составляет 17 моль АТФ на 1 моль глицеральдегидфосфата. К этому необходимо прибавить 3 моль АТФ, синтезированных путём субстратного фосфорилирования (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле).Учитывая, что глюкоза распадается на 2 фос-фотриозы и что стехиометрический коэффициент дальнейших превращений равен 2, полученную величину надо умножить на 2, а из результата вычесть 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза.

Анаэробный распад глюкозы (анаэробный гликолиз).

Анаэробным гликолизом называют процесс расщепления глюкозы с образованием в качестве конечного продукта лактата. Этот процесс протекает без использования кислорода и поэтому не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ образуется за счёт реакций субстратного фосфорилирования. Суммарное уравнение процесса:

При анаэробном гликолизе в цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных аэробному гликолизу. Лишь 11-я реакция, где происходит восстановление пирувата цитозольным NADH, является специфической для анаэробного гликолиза. Восстановление пирувата в лактат катализирует лактатдегидро-геназа (реакция обратимая, и фермент назван по обратной реакции). С помощью этой реакции обеспечивается регенерация NAD+ из NADH без участия митохондриальной дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом.

Источники: http://mylektsii.ru/11-79510.html, http://sebulfin.com/meditsinskie-sovetyi/biologicheskaya-rol-monosaharadidov, http://studwood.ru/1583887/meditsina/biologicheskaya_rol_glyukozy_organizme

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *