Utan energi kan inte en enda levande varelse existera. När allt kommer omkring kräver varje kemisk reaktion, varje process sin närvaro. Det är lätt för vem som helst att förstå och känna detta. Om du inte äter mat hela dagen, kommer till kvällen, och möjligen ännu tidigare, symtom på ökad trötthet, slöhet att börja, styrkan minskar avsevärt.
Hur har olika organismer anpassat sig för att få energi? Var kommer det ifrån och vilka processer äger rum inuti cellen? Låt oss försöka förstå den här artikeln.
Få energi av organismer
Oavsett sätt varelser konsumerar energi, är ORR (oxidations-reduktionsreaktioner) alltid grunden. Olika exempel kan ges. Fotosyntesekvationen, som utförs av gröna växter och vissa bakterier, är också OVR. Naturligtvis kommer processerna att skilja sig åt beroende på vilket levande väsen som avses.
Så, alla djur är heterotrofer. Det vill säga sådana organismer som inte självständigt kan bilda färdiga organiska föreningar inom sig förderas ytterligare splittring och frigörande av energin från kemiska bindningar.
Växter är tvärtom den mest kraftfulla producenten av organiskt material på vår planet. Det är de som utför en komplex och viktig process som kallas fotosyntes, som består i bildandet av glukos från vatten, koldioxid under inverkan av ett speciellt ämne - klorofyll. Biprodukten är syre, som är källan till liv för alla aeroba levande varelser.
Redox-reaktioner, exempel på vilka illustrerar denna process:
6CO2 + 6H2O=klorofyll=C6H 10O6 + 6O2;
eller
koldioxid + väteoxid under inverkan av klorofyllpigment (reaktionsenzym)=monosackarid + fritt molekylärt syre
Det finns också sådana representanter för planetens biomassa som kan använda energin från kemiska bindningar av oorganiska föreningar. De kallas kemotrofer. Dessa inkluderar många typer av bakterier. Till exempel vätemikroorganismer som oxiderar substratmolekyler i jorden. Processen sker enligt formeln:
Historia om utvecklingen av kunskap om biologisk oxidation
Processen som ligger till grund för energiproduktion är välkänd idag. Detta är biologisk oxidation. Biokemi har studerat subtiliteterna och mekanismerna för alla stadier av handling så detaljerat att det nästan inte finns några mysterier kvar. Detta var dock intealltid.
Det första omnämnandet av de mest komplexa omvandlingarna som sker inuti levande varelser, som är kemiska reaktioner i naturen, dök upp runt 1700-talet. Det var vid den här tiden som Antoine Lavoisier, den berömda franska kemisten, vände sin uppmärksamhet mot hur lika biologisk oxidation och förbränning är. Han spårade den ungefärliga vägen för syre som absorberas under andning och kom till slutsatsen att oxidationsprocesser sker inuti kroppen, bara långsammare än utanför under förbränning av olika ämnen. Det vill säga att oxidationsmedlet - syremolekyler - reagerar med organiska föreningar, och specifikt med väte och kol från dem, och en fullständig omvandling sker, åtföljd av sönderdelning av föreningarna.
Men även om detta antagande i grunden är ganska verkligt, förblev många saker obegripliga. Till exempel:
- eftersom processerna är likartade bör villkoren för att de inträffar vara identiska, men oxidation sker vid låg kroppstemperatur;
- åtgärden åtföljs inte av frigörandet av en enorm mängd värmeenergi och det finns ingen lågbildning;
- levande varelser innehåller minst 75-80 % vatten, men det hindrar inte att näringsämnen "bränns" i dem.
Det tog år att svara på alla dessa frågor och förstå vad biologisk oxidation egentligen är.
Det fanns olika teorier som antydde vikten av närvaron av syre och väte i processen. De vanligaste och mest framgångsrika var:
- Bachs teori, kalladperoxid;
- Palladins teori, baserad på konceptet "kromogener".
I framtiden fanns det många fler forskare, både i Ryssland och andra länder i världen, som gradvis gjorde tillägg och förändringar i frågan om vad biologisk oxidation är. Modern biokemi, tack vare deras arbete, kan berätta om varje reaktion av denna process. Bland de mest kända namnen i detta område är följande:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin och andra.
Typer av biologisk oxidation
Det finns två huvudtyper av processen som övervägs, som sker under olika förhållanden. Så det vanligaste sättet att omvandla maten som tas emot i många arter av mikroorganismer och svampar är anaerob. Detta är biologisk oxidation, som utförs utan tillgång till syre och utan dess deltagande i någon form. Liknande förhållanden skapas där det inte finns tillgång till luft: under jord, i ruttnande underlag, silt, lera, träsk och till och med i rymden.
Den här typen av oxidation har ett annat namn - glykolys. Det är också ett av stadierna i en mer komplex och mödosam, men energiskt rik process - aerob transformation eller vävnadsandning. Detta är den andra typen av process som övervägs. Det förekommer i alla aeroba levande varelser-heterotrofer, somsyre används för att andas.
Så typerna av biologisk oxidation är följande.
- Glykolys, anaerob väg. Kräver inte närvaro av syre och resulterar i olika former av jäsning.
- Vävnadsandning (oxidativ fosforylering) eller aerob sikt. Kräver närvaro av molekylärt syre.
Deltagare i processen
Låt oss gå vidare till övervägandet av de egenskaper som biologisk oxidation innehåller. Låt oss definiera huvudföreningarna och deras förkortningar, som vi kommer att använda i framtiden.
- Acetylkoenzym-A (acetyl-CoA) är ett kondensat av oxalsyra och ättiksyra med ett koenzym, bildat i det första steget av trikarboxylsyracykeln.
- Krebs-cykeln (citronsyracykeln, trikarboxylsyror) är en serie komplexa sekventiella redoxtransformationer som åtföljs av frigöring av energi, väteminskning och bildning av viktiga lågmolekylära produkter. Det är huvudlänken inom kata- och anabolism.
- NAD och NADH - dehydrogenasenzym, står för nikotinamidadenindinukleotid. Den andra formeln är en molekyl med ett fäst väte. NADP - nikotinamidadenindinukleotidfosfat.
- FAD och FADN − flavinadenindinukleotid - koenzym av dehydrogenaser.
- ATP - adenosintrifosforsyra.
- PVC - pyrodruvsyra eller pyruvat.
- Succinat eller bärnstenssyra, H3PO4− fosforsyra.
- GTP − guanosintrifosfat, klass av purinnukleotider.
- ETC - elektrontransportkedja.
- Processens enzymer: peroxidaser, oxygenaser, cytokromoxidaser, flavin-dehydrogenaser, olika koenzymer och andra föreningar.
Alla dessa föreningar är direkta deltagare i oxidationsprocessen som sker i vävnader (celler) hos levande organismer.
Biologiska oxidationsstadier: tabell
| Stage | Processer och betydelse |
| Glykolys | Kären i processen ligger i den syrefria splittringen av monosackarider, som föregår processen med cellandning och åtföljs av en energiproduktion lika med två ATP-molekyler. Pyruvat bildas också. Detta är det första stadiet för varje levande organism av en heterotrof. Betydelse i bildandet av PVC, som kommer in i mitokondriernas kristaller och är ett substrat för vävnadsoxidation av syre. Hos anaerober, efter glykolys, börjar fermenteringsprocesser av olika slag. |
| Pyruvatoxidation | Denna process består i omvandling av PVC som bildas under glykolys till acetyl-CoA. Det utförs med hjälp av ett specialiserat enzymkomplex pyruvatdehydrogenas. Resultatet är cetyl-CoA-molekyler som går in i Krebs-cykeln. I samma process reduceras NAD till NADH. Plats för lokalisering - cristae of mitokondria. |
| Nedbrytningen av betafettsyror | Denna process utförs parallellt med den föregående påmitokondriella cristae. Dess essens är att bearbeta alla fettsyror till acetyl-CoA och lägga det i trikarboxylsyracykeln. Detta återställer också NADH. |
| Krebs cykel |
Börjar med omvandlingen av acetyl-CoA till citronsyra, som genomgår ytterligare omvandlingar. En av de viktigaste stadierna som inkluderar biologisk oxidation. Denna syra utsätts för:
Varje process görs flera gånger. Resultat: GTP, koldioxid, reducerad form av NADH och FADH2. Samtidigt finns biologiska oxidationsenzymer fritt placerade i matrisen av mitokondriella partiklar. |
| Oxidativ fosforylering | Detta är det sista steget i omvandlingen av föreningar i eukaryota organismer. I detta fall omvandlas adenosindifosfat till ATP. Den energi som behövs för detta tas från oxidationen av de NADH- och FADH2-molekylerna som bildades i de tidigare stegen. Genom successiva övergångar längs ETC och en minskning av potentialer, sluts energi i makroergiska bindningar av ATP |
Dessa är alla processer som åtföljer biologisk oxidation med deltagande av syre. Naturligtvis är de inte fullständigt beskrivna, utan bara i huvudsak, eftersom ett helt kapitel i boken behövs för en detaljerad beskrivning. Alla biokemiska processer hos levande organismer är extremt mångfacetterade och komplexa.
Redox-reaktioner av processen
Redox-reaktioner, vars exempel kan illustrera processerna för substratoxidation som beskrivs ovan, är följande.
- Glykolys: monosackarid (glukos) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Pyruvatoxidation: PVC + enzym=koldioxid + acetaldehyd. Sedan nästa steg: acetaldehyd + Coenzym A=acetyl-CoA.
- Många successiva omvandlingar av citronsyra i Krebs-cykeln.
Dessa redoxreaktioner, vars exempel ges ovan, återspeglar kärnan i de pågående processerna endast i allmänna termer. Det är känt att föreningarna i fråga antingen har hög molekylvikt eller har ett stort kolskelett, så det går helt enkelt inte att representera allt med fullständiga formler.
Energieffekt av vävnadsandning
Från ovanstående beskrivningar är det uppenbart att det inte är svårt att beräkna det totala energiutbytet för hela oxidationen.
- Glykolys producerar två ATP-molekyler.
- Pyruvatoxidation 12 ATP-molekyler.
- 22 molekyler per citronsyracykel.
Sammanfattning: fullständig biologisk oxidation genom den aeroba vägen ger en energiproduktion lika med 36 ATP-molekyler. Vikten av biologisk oxidation är uppenbar. Det är denna energi som används av levande organismer för liv och funktion, såväl som för att värma deras kroppar, rörelser och andra nödvändiga saker.
Anaerob oxidation av substratet
Den andra typen av biologisk oxidation är anaerob. Det vill säga en som utförs av alla, men som mikroorganismer av vissa arter stannar på. Detta är glykolys, och det är från den som skillnaderna i den vidare omvandlingen av ämnen mellan aeroba och anaeroba spår tydligt spåras.
Det finns få biologiska oxidationssteg längs denna väg.
- Glykolys, det vill säga oxidation av en glukosmolekyl till pyruvat.
- Fermentering som leder till ATP-regenerering.
Jäsning kan vara av olika slag, beroende på vilka organismer som är involverade.
Mjölksyrajäsning
Utförs av mjölksyrabakterier och vissa svampar. Summan av kardemumman är att återställa PVC till mjölksyra. Denna process används inom industrin för att få:
- fermenterade mjölkprodukter;
- jästa grönsaker och frukter;
- djursilos.
Denna typ av jäsning är en av de mest använda i mänskliga behov.
Alkoholjäsning
Känt för människor sedan antiken. Kärnan i processen är omvandlingen av PVC till två molekyler etanol och två koldioxid. På grund av detta produktutbyte används denna typ av jäsning för att erhålla:
- bröd;
- vin;
- öl;
- konfektyr och mer.
Det utförs av svampar, jäst och mikroorganismer av bakteriell natur.
Smörfermentering
En ganska snävt specifik typ av jäsning. Utförs av bakterier av släktet Clostridium. Summan av kardemumman är omvandlingen av pyruvat till smörsyra, vilket ger maten en obehaglig lukt och härsken smak.
Därför används biologiska oxidationsreaktioner som följer denna väg praktiskt taget inte inom industrin. Dessa bakterier sår dock mat på egen hand och orsakar skada, vilket försämrar deras kvalitet.
