IChO 1985 · Theory problem 8
Glycolysis equilibria of glucose-1-phosphate, glucose-6-phosphate and fructose-6-phosphate
The following reaction scheme represents part of anaerobic degradation of saccharides, i.e. the glycolysis, involving equilibrium constants \(K_1\) and \(K_2\):

Problems:
8.1 Give the structural formulae for all the three reactants (compounds) that are mutually interconverted, i.e. α-D-glucose-1-phosphate, α-D-glucose-6-phosphate and α-D-fructose-6-phosphate.
8.2 In the beginning of the reaction the reaction mixture contained 1 mmol of glucose-6-phosphate. Calculate the amounts of glucose-6-phosphate, glucose-1-phosphate and fructose-6-phosphate in the mixture at equilibrium. (As the reaction take place in a constant volume, the ratio of the amounts of substances equals that of their concentrations.)
Official English text of the problem.
Answers
- 8.1 The structures, written with fully protonated phosphate groups, are:
- α-D-glucose-1-phosphate, in its glucopyranose form:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-glucose-6-phosphate, in its glucopyranose form:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-fructose-6-phosphate, in its fructofuranose form:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 The equilibrium amounts, rounded to two significant figures, are:
- Glucose-6-phosphate: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- Glucose-1-phosphate: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- Fructose-6-phosphate: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
Solution
8.1 — Structures and stereochemistry
The phosphate ester group is represented as \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\). This specifies the acid form; the problem does not prescribe a pH or phosphate protonation state.
For the two glucose derivatives, draw a six-membered pyranose ring. Place the ring oxygen, O5, at the upper right, followed clockwise by C1, C2, C3, C4 and C5.
For the fructose derivative, draw a five-membered furanose ring. Place O5 at the top, followed clockwise by C2, C3, C4 and C5. Here C2 is the anomeric carbon. The ring results from addition of the C5 hydroxyl group to the C2 carbonyl group; C6 carries the phosphate ester.
The complete Haworth substituent orientations are:
| Compound | Substituents below the ring | Substituents above the ring |
|---|---|---|
| α-D-glucose-1-phosphate | \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) at C1; hydroxyl groups at C2 and C4 | Hydroxyl group at C3; \(\ce{CH2OH}\) at C5 |
| α-D-glucose-6-phosphate | Hydroxyl groups at C1, C2 and C4 | Hydroxyl group at C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) at C5 |
| α-D-fructose-6-phosphate | Hydroxyl groups at C2 and C4 | \(\ce{CH2OH}\) at C2; hydroxyl group at C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) at C5 |
In each structure, the side chain containing C6 points above the ring. The α configuration places the anomeric oxygen substituent on the opposite side: the phosphate ester at C1 for glucose-1-phosphate, the hydroxyl group at C1 for glucose-6-phosphate, and the hydroxyl group at C2 for fructose-6-phosphate.
Hydrogens on the remaining ring stereocentres point opposite the listed substituents. These Haworth descriptions specify configuration; they do not imply that the actual rings are planar.
8.2 — Equilibrium composition
Let the equilibrium amounts of glucose-1-phosphate, glucose-6-phosphate and fructose-6-phosphate be \(a\), \(b\) and \(c\), respectively.
The equilibrium constants refer to the forward directions shown in the scheme. Since the volume is constant,
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
Thus,
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
Each interconversion replaces one molecule with one molecule, so the total amount of the three compounds is conserved:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
Substituting gives
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
and hence
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
The individual amounts are therefore
\[ \begin{aligned} n(\text{glucose-6-phosphate}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{glucose-1-phosphate}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{fructose-6-phosphate}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
Before rounding, these amounts sum to \(1\ \mathrm{mmol}\) and reproduce both equilibrium constants exactly.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1985 · Theorieaufgabe 8
Glykolysegleichgewichte von Glucose-1-phosphat, Glucose-6-phosphat und Fructose-6-phosphat
Das folgende Reaktionsschema zeigt einen Teil des anaeroben Abbaus von Sacchariden, d. h. der Glykolyse, mit den Gleichgewichtskonstanten \(K_1\) und \(K_2\):

Aufgaben:
8.1 Geben Sie die Strukturformeln aller drei ineinander umgewandelten Reaktanten (Verbindungen) an, d. h. von α-D-Glucose-1-phosphat, α-D-Glucose-6-phosphat und α-D-Fructose-6-phosphat.
8.2 Zu Beginn der Reaktion enthielt das Reaktionsgemisch 1 mmol Glucose-6-phosphat. Berechnen Sie die Stoffmengen von Glucose-6-phosphat, Glucose-1-phosphat und Fructose-6-phosphat im Gemisch im Gleichgewicht. (Da die Reaktionen bei konstantem Volumen ablaufen, entspricht das Verhältnis der Stoffmengen dem ihrer Konzentrationen.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 8.1 Die Strukturen mit vollständig protonierten Phosphatgruppen lauten:
- α-D-Glucose-1-phosphat, in seiner Glucopyranoseform:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-Glucose-6-phosphat, in seiner Glucopyranoseform:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-Fructose-6-phosphat, in seiner Fructofuranoseform:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 Die Stoffmengen im Gleichgewicht, auf zwei signifikante Stellen gerundet, betragen:
- Glucose-6-phosphat: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- Glucose-1-phosphat: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- Fructose-6-phosphat: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
Lösung
8.1 — Strukturen und Stereochemie
Die Phosphatestergruppe wird als \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) dargestellt. Damit ist die Säureform angegeben; die Aufgabe gibt weder einen pH-Wert noch einen Protonierungszustand des Phosphats vor.
Zeichnen Sie für die beiden Glucosederivate einen sechsgliedrigen Pyranosering. Platzieren Sie das Ringsauerstoffatom O5 rechts oben, gefolgt von C1, C2, C3, C4 und C5 im Uhrzeigersinn.
Zeichnen Sie für das Fructosederivat einen fünfgliedrigen Furanosering. Platzieren Sie O5 oben, gefolgt von C2, C3, C4 und C5 im Uhrzeigersinn. Hier ist C2 das anomere Kohlenstoffatom. Der Ring entsteht durch Addition der Hydroxygruppe an C5 an die Carbonylgruppe an C2; C6 trägt den Phosphatester.
Die vollständigen Orientierungen der Substituenten in der Haworth-Projektion sind:
| Verbindung | Substituenten unterhalb des Rings | Substituenten oberhalb des Rings |
|---|---|---|
| α-D-Glucose-1-phosphat | \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) an C1; Hydroxygruppen an C2 und C4 | Hydroxygruppe an C3; \(\ce{CH2OH}\) an C5 |
| α-D-Glucose-6-phosphat | Hydroxygruppen an C1, C2 und C4 | Hydroxygruppe an C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) an C5 |
| α-D-Fructose-6-phosphat | Hydroxygruppen an C2 und C4 | \(\ce{CH2OH}\) an C2; Hydroxygruppe an C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) an C5 |
In jeder Struktur zeigt die C6 enthaltende Seitenkette nach oben über den Ring. Bei der α-Konfiguration liegt der Sauerstoffsubstituent am anomeren Zentrum auf der gegenüberliegenden Seite: der Phosphatester an C1 bei Glucose-1-phosphat, die Hydroxygruppe an C1 bei Glucose-6-phosphat und die Hydroxygruppe an C2 bei Fructose-6-phosphat.
Die Wasserstoffatome an den übrigen stereogenen Zentren des Rings zeigen jeweils in die den aufgeführten Substituenten entgegengesetzte Richtung. Diese Haworth-Beschreibungen legen die Konfiguration fest; sie bedeuten nicht, dass die tatsächlichen Ringe planar sind.
8.2 — Gleichgewichtszusammensetzung
Die Stoffmengen von Glucose-1-phosphat, Glucose-6-phosphat und Fructose-6-phosphat im Gleichgewicht seien \(a\), \(b\) bzw. \(c\).
Die Gleichgewichtskonstanten beziehen sich auf die im Schema dargestellten Hinreaktionen. Da das Volumen konstant ist, gilt
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
Somit gilt
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
Bei jeder Umwandlung wird ein Molekül durch ein Molekül ersetzt, sodass die Gesamtstoffmenge der drei Verbindungen erhalten bleibt:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
Einsetzen ergibt
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
und damit
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
Die einzelnen Stoffmengen betragen daher
\[ \begin{aligned} n(\text{Glucose-6-phosphat}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{Glucose-1-phosphat}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{Fructose-6-phosphat}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
Vor dem Runden ergeben diese Stoffmengen in der Summe \(1\ \mathrm{mmol}\) und geben beide Gleichgewichtskonstanten exakt wieder.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1985 · Teori sorusu 8
Glukoz-1-fosfat, glukoz-6-fosfat ve fruktoz-6-fosfatın glikoliz dengeleri
Aşağıdaki tepkime şeması, sakkaritlerin anaerobik yıkımının, yani glikolizin, denge sabitleri \(K_1\) ve \(K_2\) olan bir bölümünü göstermektedir:

Sorular:
8.1 Birbirine dönüşen üç reaktanın (bileşiğin), yani α-D-glukoz-1-fosfat, α-D-glukoz-6-fosfat ve α-D-fruktoz-6-fosfatın tümünün yapı formüllerini veriniz.
8.2 Tepkimenin başlangıcında tepkime karışımı 1 mmol glukoz-6-fosfat içermektedir. Dengeye ulaşıldığında karışımdaki glukoz-6-fosfat, glukoz-1-fosfat ve fruktoz-6-fosfat miktarlarını hesaplayınız. (Tepkime sabit hacimde gerçekleştiğinden, maddelerin miktarlarının oranı derişimlerinin oranına eşittir.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 8.1 Fosfat grupları tamamen protonlanmış olarak yazılan yapılar şunlardır:
- Glukopiranoz biçimindeki α-D-glukoz-1-fosfat:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - Glukopiranoz biçimindeki α-D-glukoz-6-fosfat:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
Fruktofuranoz biçimindeki α-D-fruktoz-6-fosfat:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 İki anlamlı basamağa yuvarlanmış denge miktarları şunlardır:
- Glukoz-6-fosfat: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- Glukoz-1-fosfat: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- Fruktoz-6-fosfat: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
Çözüm
8.1 — Yapılar ve stereokimya
Fosfat ester grubu \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) olarak gösterilmiştir. Bu gösterim asit biçimini belirtir; soruda bir pH değeri veya fosfatın protonlanma durumu belirtilmemiştir.
İki glukoz türevi için altı üyeli bir piranoz halkası çiziniz. Halka oksijeni O5'i sağ üste yerleştiriniz; ardından saat yönünde C1, C2, C3, C4 ve C5'i yerleştiriniz.
Fruktoz türevi için beş üyeli bir furanoz halkası çiziniz. O5'i en üste yerleştiriniz; ardından saat yönünde C2, C3, C4 ve C5'i yerleştiriniz. Burada anomerik karbon C2'dir. Halka, C5 hidroksil grubunun C2 karbonil grubuna katılmasıyla oluşur; C6 fosfat esterini taşır.
Haworth gösterimindeki sübstitüent yönelimlerinin tamamı şöyledir:
| Bileşik | Halkanın altındaki sübstitüentler | Halkanın üstündeki sübstitüentler |
|---|---|---|
| α-D-glukoz-1-fosfat | C1'de \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\); C2 ve C4'te hidroksil grupları | C3'te hidroksil grubu; C5'te \(\ce{CH2OH}\) |
| α-D-glukoz-6-fosfat | C1, C2 ve C4'te hidroksil grupları | C3'te hidroksil grubu; C5'te \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) |
| α-D-fruktoz-6-fosfat | C2 ve C4'te hidroksil grupları | C2'de \(\ce{CH2OH}\); C3'te hidroksil grubu; C5'te \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) |
Her yapıda C6'yı içeren yan zincir halkanın üstüne doğru yönelmiştir. α konfigürasyonunda anomerik oksijen sübstitüenti karşı tarafta bulunur: glukoz-1-fosfat için C1'deki fosfat esteri, glukoz-6-fosfat için C1'deki hidroksil grubu ve fruktoz-6-fosfat için C2'deki hidroksil grubu.
Halkadaki diğer stereomerkezlere bağlı hidrojenler, listelenen sübstitüentlerin ters yönüne bakar. Bu Haworth betimlemeleri konfigürasyonu belirtir; gerçek halkaların düzlemsel olduğu anlamına gelmez.
8.2 — Denge bileşimi
Glukoz-1-fosfat, glukoz-6-fosfat ve fruktoz-6-fosfatın dengedeki miktarları sırasıyla \(a\), \(b\) ve \(c\) olsun.
Denge sabitleri, şemada gösterilen ileri yönler için verilmiştir. Hacim sabit olduğundan,
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
Dolayısıyla,
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
Her dönüşümde bir molekülün yerini bir molekül alır; dolayısıyla üç bileşiğin toplam madde miktarı korunur:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
Yerine koyduğumuzda
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
ve buradan
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
Buna göre her birinin miktarı şöyledir:
\[ \begin{aligned} n(\text{glukoz-6-fosfat}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{glukoz-1-fosfat}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{fruktoz-6-fosfat}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
Yuvarlamadan önce bu miktarların toplamı \(1\ \mathrm{mmol}\) olur ve bu miktarlardan her iki denge sabiti de tam olarak elde edilir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1985 · Problema teórico 8
Equilibrios de la glucólisis de la glucosa-1-fosfato, la glucosa-6-fosfato y la fructosa-6-fosfato
El siguiente esquema de reacción representa una parte de la degradación anaerobia de los sacáridos, es decir, la glucólisis, en la que intervienen las constantes de equilibrio \(K_1\) y \(K_2\):

Cuestiones:
8.1 Escriba las fórmulas estructurales de los tres reactivos (compuestos) que se interconvierten entre sí, es decir, la α-D-glucosa-1-fosfato, la α-D-glucosa-6-fosfato y la α-D-fructosa-6-fosfato.
8.2 Al inicio de la reacción, la mezcla de reacción contenía 1 mmol de glucosa-6-fosfato. Calcule las cantidades de glucosa-6-fosfato, glucosa-1-fosfato y fructosa-6-fosfato presentes en la mezcla en el equilibrio. (Como la reacción tiene lugar a volumen constante, la relación entre las cantidades de sustancia es igual a la relación entre sus concentraciones.)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 8.1 Las estructuras, escritas con los grupos fosfato completamente protonados, son:
- α-D-glucosa-1-fosfato, en su forma de glucopiranosa:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-glucosa-6-fosfato, en su forma de glucopiranosa:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-fructosa-6-fosfato, en su forma de fructofuranosa:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 Las cantidades en el equilibrio, redondeadas a dos cifras significativas, son:
- Glucosa-6-fosfato: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- Glucosa-1-fosfato: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- Fructosa-6-fosfato: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
Solución
8.1 — Estructuras y estereoquímica
El grupo éster fosfato se representa como \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\). Esta representación especifica la forma ácida; el problema no establece un pH ni un estado de protonación del fosfato.
Para los dos derivados de la glucosa, dibuje un anillo de piranosa de seis miembros. Sitúe el oxígeno del anillo, O5, en la parte superior derecha, seguido, en sentido horario, por C1, C2, C3, C4 y C5.
Para el derivado de la fructosa, dibuje un anillo de furanosa de cinco miembros. Sitúe O5 en la parte superior, seguido, en sentido horario, por C2, C3, C4 y C5. En este caso, C2 es el carbono anomérico. El anillo se forma por la adición del grupo hidroxilo de C5 al grupo carbonilo de C2; C6 lleva el éster fosfato.
Las orientaciones completas de los sustituyentes en las proyecciones de Haworth son:
| Compuesto | Sustituyentes por debajo del anillo | Sustituyentes por encima del anillo |
|---|---|---|
| α-D-glucosa-1-fosfato | \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) en C1; grupos hidroxilo en C2 y C4 | Grupo hidroxilo en C3; \(\ce{CH2OH}\) en C5 |
| α-D-glucosa-6-fosfato | Grupos hidroxilo en C1, C2 y C4 | Grupo hidroxilo en C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) en C5 |
| α-D-fructosa-6-fosfato | Grupos hidroxilo en C2 y C4 | \(\ce{CH2OH}\) en C2; grupo hidroxilo en C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) en C5 |
En cada estructura, la cadena lateral que contiene C6 se orienta por encima del anillo. La configuración α sitúa el sustituyente oxigenado anomérico en el lado opuesto: el éster fosfato en C1 para la glucosa-1-fosfato, el grupo hidroxilo en C1 para la glucosa-6-fosfato y el grupo hidroxilo en C2 para la fructosa-6-fosfato.
Los hidrógenos de los demás estereocentros del anillo se orientan en sentido opuesto a los sustituyentes indicados. Estas descripciones de Haworth especifican la configuración; no implican que los anillos reales sean planos.
8.2 — Composición en el equilibrio
Sean \(a\), \(b\) y \(c\) las cantidades de glucosa-1-fosfato, glucosa-6-fosfato y fructosa-6-fosfato en el equilibrio, respectivamente.
Las constantes de equilibrio se refieren a los sentidos directos indicados en el esquema. Puesto que el volumen es constante,
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
Por tanto,
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
Cada interconversión sustituye una molécula por otra, por lo que se conserva la cantidad total de los tres compuestos:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
Al sustituir, se obtiene
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
y, por consiguiente,
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
Las cantidades individuales son, por tanto,
\[ \begin{aligned} n(\text{glucosa-6-fosfato}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{glucosa-1-fosfato}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{fructosa-6-fosfato}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
Antes del redondeo, estas cantidades suman \(1\ \mathrm{mmol}\) y reproducen exactamente ambas constantes de equilibrio.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1985 · 理论题 8
葡萄糖-1-磷酸、葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸的糖酵解平衡
以下反应示意图表示糖类无氧降解过程(即糖酵解)的一部分,其中涉及平衡常数 \(K_1\) 和 \(K_2\):

问题:
8.1 写出三种相互转化的反应物(化合物),即 α-D-葡萄糖-1-磷酸、α-D-葡萄糖-6-磷酸和 α-D-果糖-6-磷酸的结构式。
8.2 反应开始时,反应混合物中含有 1 mmol 葡萄糖-6-磷酸。计算达到平衡时混合物中葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸和果糖-6-磷酸的物质的量。(由于反应在恒定体积下进行,物质的量之比等于其浓度之比。)
题目译自官方英文原文。
答案
- 8.1 将磷酸基团写成完全质子化形式时,各结构如下:
- α-D-葡萄糖-1-磷酸,采用吡喃葡萄糖形式:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-葡萄糖-6-磷酸,采用吡喃葡萄糖形式:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-果糖-6-磷酸,采用呋喃果糖形式:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 平衡时各物质的量保留两位有效数字,分别为:
- 葡萄糖-6-磷酸: \(0.64\ \mathrm{mmol}\)。
- 葡萄糖-1-磷酸: \(0.034\ \mathrm{mmol}\)。
- 果糖-6-磷酸: \(0.32\ \mathrm{mmol}\)。
解答
8.1 — 结构与立体化学
磷酸酯基团表示为 \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\)。这表示其酸式形式;题目并未规定 pH 或磷酸基团的质子化状态。
对于两种葡萄糖衍生物,画出六元的吡喃糖环。将环氧原子 O5 置于右上方,再沿顺时针方向依次排列 C1、C2、C3、C4 和 C5。
对于果糖衍生物,画出五元的呋喃糖环。将 O5 置于顶部,再沿顺时针方向依次排列 C2、C3、C4 和 C5。这里 C2 是异头碳原子。该环由 C5 上的羟基向 C2 上的羰基加成而形成;C6 上连有磷酸酯基团。
霍沃思式中所有取代基的取向如下:
| 化合物 | 环下方的取代基 | 环上方的取代基 |
|---|---|---|
| α-D-葡萄糖-1-磷酸 | C1 上的 \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\);C2 和 C4 上的羟基 | C3 上的羟基;C5 上的 \(\ce{CH2OH}\) |
| α-D-葡萄糖-6-磷酸 | C1、C2 和 C4 上的羟基 | C3 上的羟基;C5 上的 \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) |
| α-D-果糖-6-磷酸 | C2 和 C4 上的羟基 | C2 上的 \(\ce{CH2OH}\);C3 上的羟基;C5 上的 \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) |
在每个结构中,含有 C6 的侧链均指向环的上方。α 构型使异头碳上的含氧取代基位于相反的一侧:对于葡萄糖-1-磷酸,该取代基是 C1 上的磷酸酯基团;对于葡萄糖-6-磷酸,是 C1 上的羟基;对于果糖-6-磷酸,则是 C2 上的羟基。
环上其余立体中心的氢原子指向与所列取代基相反的方向。这些霍沃思式的描述确定了构型,但并不意味着实际的环是平面的。
8.2 — 平衡组成
设平衡时葡萄糖-1-磷酸、葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸的物质的量分别为 \(a\)、\(b\) 和 \(c\)。
平衡常数对应于示意图中所示的正向反应。由于体积恒定,
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
因此,
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
每次相互转化均由一个分子生成一个分子,因此这三种化合物的总物质的量守恒:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
代入可得
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
从而
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
因此,各物质的量分别为
\[ \begin{aligned} n(\text{葡萄糖-6-磷酸}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{葡萄糖-1-磷酸}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{果糖-6-磷酸}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
在舍入之前,这些物质的量之和为 \(1\ \mathrm{mmol}\),并且由它们计算出的两个平衡常数均与给定值完全一致。
解答已与官方解答核对。
IChO 1985 · Теоретическая задача 8
Равновесия гликолиза с участием глюкозо-1-фосфата, глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата
Следующая схема реакций представляет часть анаэробного расщепления сахаридов, то есть гликолиза, с константами равновесия \(K_1\) и \(K_2\):

Задания:
8.1 Приведите структурные формулы всех трёх взаимопревращающихся реагентов (соединений), то есть α-D-глюкозо-1-фосфата, α-D-глюкозо-6-фосфата и α-D-фруктозо-6-фосфата.
8.2 В начале реакции реакционная смесь содержала 1 ммоль глюкозо-6-фосфата. Рассчитайте количества глюкозо-6-фосфата, глюкозо-1-фосфата и фруктозо-6-фосфата в смеси при равновесии. (Поскольку реакции протекают при постоянном объёме, отношение количеств веществ равно отношению их концентраций.)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 8.1 Структуры с полностью протонированными фосфатными группами:
- α-D-глюкозо-1-фосфат, в глюкопиранозной форме:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-глюкозо-6-фосфат, в глюкопиранозной форме:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-фруктозо-6-фосфат, во фруктофуранозной форме:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 Равновесные количества веществ, округлённые до двух значащих цифр:
- Глюкозо-6-фосфат: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- Глюкозо-1-фосфат: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- Фруктозо-6-фосфат: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
Решение
8.1 — Структуры и стереохимия
Сложноэфирная фосфатная группа представлена как \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\). Такая запись соответствует кислотной форме; в условии задачи не заданы ни pH, ни степень протонирования фосфатной группы.
Для двух производных глюкозы изобразим шестичленный пиранозный цикл. Расположим атом кислорода цикла O5 справа вверху, а затем по часовой стрелке — C1, C2, C3, C4 и C5.
Для производного фруктозы изобразим пятичленный фуранозный цикл. Расположим O5 вверху, а затем по часовой стрелке — C2, C3, C4 и C5. Здесь C2 — аномерный атом углерода. Цикл образуется в результате присоединения гидроксильной группы при C5 к карбонильной группе при C2; при C6 находится сложноэфирная фосфатная группа.
Полная ориентация заместителей в формулах Хеуорса:
| Соединение | Заместители под плоскостью цикла | Заместители над плоскостью цикла |
|---|---|---|
| α-D-глюкозо-1-фосфат | \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) при C1; гидроксильные группы при C2 и C4 | Гидроксильная группа при C3; \(\ce{CH2OH}\) при C5 |
| α-D-глюкозо-6-фосфат | Гидроксильные группы при C1, C2 и C4 | Гидроксильная группа при C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) при C5 |
| α-D-фруктозо-6-фосфат | Гидроксильные группы при C2 и C4 | \(\ce{CH2OH}\) при C2; гидроксильная группа при C3; \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) при C5 |
В каждой структуре боковая цепь, содержащая C6, направлена над плоскостью цикла. При α-конфигурации кислородсодержащий заместитель при аномерном атоме углерода находится с противоположной стороны: сложноэфирная фосфатная группа при C1 у глюкозо-1-фосфата, гидроксильная группа при C1 у глюкозо-6-фосфата и гидроксильная группа при C2 у фруктозо-6-фосфата.
Атомы водорода при остальных стереоцентрах цикла направлены в сторону, противоположную указанным заместителям. Эти описания формул Хеуорса задают конфигурацию; они не подразумевают, что реальные циклы плоские.
8.2 — Равновесный состав
Обозначим равновесные количества глюкозо-1-фосфата, глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата через \(a\), \(b\) и \(c\) соответственно.
Константы равновесия относятся к прямым направлениям реакций, указанным на схеме. Поскольку объём постоянен,
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
Таким образом,
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
При каждом взаимопревращении одна молекула заменяется одной молекулой, поэтому суммарное количество трёх соединений сохраняется:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
Подстановка даёт
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
откуда
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
Следовательно, количества отдельных веществ равны
\[ \begin{aligned} n(\text{глюкозо-6-фосфат}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{глюкозо-1-фосфат}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{фруктозо-6-фосфат}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
До округления сумма этих количеств равна \(1\ \mathrm{mmol}\), и они точно воспроизводят обе константы равновесия.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1985 · مسألة نظرية 8
اتزانات التحلل السكري لغلوكوز-1-فوسفات وغلوكوز-6-فوسفات وفركتوز-6-فوسفات
يمثل مخطط التفاعلات الآتي جزءًا من التحلل اللاهوائي للسكريات، أي التحلل السكري، ويتضمن ثابتي الاتزان \(K_1\) و\(K_2\):

المطلوب:
8.1 أعطِ الصيغ البنائية للمتفاعلات (المركبات) الثلاثة جميعها التي يتحول كل منها إلى الآخر، أي α-D-غلوكوز-1-فوسفات وα-D-غلوكوز-6-فوسفات وα-D-فركتوز-6-فوسفات.
8.2 في بداية التفاعل، كان مزيج التفاعل يحتوي على 1 mmol من غلوكوز-6-فوسفات. احسب كميات غلوكوز-6-فوسفات وغلوكوز-1-فوسفات وفركتوز-6-فوسفات في المزيج عند الاتزان. (بما أن التفاعل يحدث في حجم ثابت، فإن نسبة كميات المواد تساوي نسبة تراكيزها.)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 8.1 البنى، مكتوبةً بمجموعات فوسفات مبرتنة بالكامل، هي:
- α-D-غلوكوز-1-فوسفات، في صورته الغلوكوبيرانوزية:
OC[C@H]1O[C@H](OP(=O)(O)O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O - α-D-غلوكوز-6-فوسفات، في صورته الغلوكوبيرانوزية:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O -
α-D-فركتوز-6-فوسفات، في صورته الفركتوفورانوزية:
O=P(O)(O)OC[C@H]1O[C@@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O -
8.2 الكميات عند الاتزان، مقربةً إلى رقمين معنويين، هي:
- غلوكوز-6-فوسفات: \(0.64\ \mathrm{mmol}\).
- غلوكوز-1-فوسفات: \(0.034\ \mathrm{mmol}\).
- فركتوز-6-فوسفات: \(0.32\ \mathrm{mmol}\).
الحل
8.1 — البنى والكيمياء الفراغية
تُمثَّل مجموعة إستر الفوسفات بالصيغة \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\). وهذا يحدد الصورة الحمضية؛ إذ لا تحدد المسألة قيمةً للأس الهيدروجيني أو حالة برتنة الفوسفات.
بالنسبة إلى مشتقي الغلوكوز، ارسم حلقة بيرانوز سداسية الأعضاء. ضع أكسجين الحلقة، O5، في أعلى اليمين، تتبعه باتجاه عقارب الساعة C1 وC2 وC3 وC4 وC5.
بالنسبة إلى مشتق الفركتوز، ارسم حلقة فورانوز خماسية الأعضاء. ضع O5 في الأعلى، تتبعه باتجاه عقارب الساعة C2 وC3 وC4 وC5. وهنا تكون C2 ذرة الكربون الأنوميرية. تنتج الحلقة من إضافة مجموعة الهيدروكسيل عند C5 إلى مجموعة الكربونيل عند C2؛ وتحمل C6 إستر الفوسفات.
اتجاهات المستبدلات كاملةً في إسقاط هاوورث هي:
| المركب | المستبدلات أسفل الحلقة | المستبدلات أعلى الحلقة |
|---|---|---|
| α-D-غلوكوز-1-فوسفات | \(\ce{O-P(=O)(OH)2}\) عند C1؛ مجموعتا هيدروكسيل عند C2 وC4 | مجموعة هيدروكسيل عند C3؛ \(\ce{CH2OH}\) عند C5 |
| α-D-غلوكوز-6-فوسفات | مجموعات هيدروكسيل عند C1 وC2 وC4 | مجموعة هيدروكسيل عند C3؛ \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) عند C5 |
| α-D-فركتوز-6-فوسفات | مجموعتا هيدروكسيل عند C2 وC4 | \(\ce{CH2OH}\) عند C2؛ مجموعة هيدروكسيل عند C3؛ \(\ce{CH2-O-P(=O)(OH)2}\) عند C5 |
في كل بنية، تتجه السلسلة الجانبية المحتوية على C6 إلى أعلى الحلقة. ويضع التشكيل الفراغي α المستبدل الأكسجيني الأنوميري على الجانب المقابل: إستر الفوسفات عند C1 في غلوكوز-1-فوسفات، ومجموعة الهيدروكسيل عند C1 في غلوكوز-6-فوسفات، ومجموعة الهيدروكسيل عند C2 في فركتوز-6-فوسفات.
تتجه ذرات الهيدروجين عند المراكز الفراغية المتبقية في الحلقة في الاتجاه المعاكس للمستبدلات المذكورة. وتحدد هذه الأوصاف بإسقاط هاوورث التشكيل الفراغي؛ ولا تعني أن الحلقات الفعلية مستوية.
8.2 — التركيب عند الاتزان
لتكن كميات غلوكوز-1-فوسفات وغلوكوز-6-فوسفات وفركتوز-6-فوسفات عند الاتزان هي \(a\) و\(b\) و\(c\)، على الترتيب.
يشير ثابتا الاتزان إلى الاتجاهين الأماميين الموضحين في المخطط. وبما أن الحجم ثابت، فإن
\[ K_1=\frac{b}{a}=19, \qquad K_2=\frac{c}{b}=0.50. \]
وعليه،
\[ a=\frac{b}{19}, \qquad c=0.50b. \]
يستبدل كل تحول متبادل جزيئًا واحدًا بجزيء واحد، ولذلك تبقى الكمية الكلية للمركبات الثلاثة محفوظة:
\[ a+b+c=1\ \mathrm{mmol}. \]
بالتعويض نحصل على
\[ \frac{b}{19}+b+0.50b=1\ \mathrm{mmol}, \]
ومن ثم
\[ b=\frac{1}{1+\frac{1}{19}+0.50}\ \mathrm{mmol} =\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol}. \]
وعليه، تكون كمية كل مركب كما يأتي
\[ \begin{aligned} n(\text{غلوكوز-6-فوسفات}) &=\frac{38}{59}\ \mathrm{mmol} =0.6440678\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.64\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{غلوكوز-1-فوسفات}) &=\frac{2}{59}\ \mathrm{mmol} =0.0338983\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.034\ \mathrm{mmol}},\\[2mm] n(\text{فركتوز-6-فوسفات}) &=\frac{19}{59}\ \mathrm{mmol} =0.3220339\ldots\ \mathrm{mmol} \approx \boxed{0.32\ \mathrm{mmol}}. \end{aligned} \]
قبل التقريب، يكون مجموع هذه الكميات \(1\ \mathrm{mmol}\)، وتعطي قيمتي ثابتي الاتزان بالضبط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.