Biološka oksidacija. Redoks reakcije: primeri

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-15 17:29

Brez energije ne more obstajati niti eno živo bitje. Konec koncev, vsaka kemična reakcija, vsak proces zahteva svojo prisotnost. Vsakdo to zlahka razume in občuti. Če hrane ne jeste ves dan, se bodo do večera, morda pa še prej, začeli simptomi povečane utrujenosti, letargije, moč se bo znatno zmanjšala.

Kako so se različni organizmi prilagodili pridobivanju energije? Od kod prihaja in kateri procesi potekajo v celici? Poskusimo razumeti ta članek.

Pridobivanje energije z organizmi

Ne glede na to, kako bitja porabljajo energijo, so ORR (oksidacijsko-redukcijske reakcije) vedno osnova. Navedemo lahko različne primere. Enačba fotosinteze, ki jo izvajajo zelene rastline in nekatere bakterije, je tudi OVR. Seveda se bodo procesi razlikovali glede na to, katero živo bitje je mišljeno.

Torej, vse živali so heterotrofi. Se pravi takšni organizmi, ki v sebi ne morejo samostojno tvoriti že pripravljenih organskih spojin zanjihovo nadaljnje cepljenje in sproščanje energije kemičnih vezi.

Rastline, nasprotno, so najmočnejši proizvajalec organskih snovi na našem planetu. Prav oni izvajajo zapleten in pomemben proces, imenovan fotosinteza, ki je sestavljen iz tvorbe glukoze iz vode, ogljikovega dioksida pod delovanjem posebne snovi - klorofila. Stranski produkt je kisik, ki je vir življenja za vsa aerobna živa bitja.

Redoks reakcije, katerih primeri ponazarjajo ta proces:

6CO₂ + 6H₂O=klorofil=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

ali

ogljikov dioksid + vodikov oksid pod vplivom pigmenta klorofila (reakcijski encim)=monosaharid + prosti molekularni kisik

Obstajajo tudi takšni predstavniki biomase planeta, ki so sposobni izkoristiti energijo kemičnih vezi anorganskih spojin. Imenujejo se kemotrofi. Ti vključujejo številne vrste bakterij. Na primer vodikovi mikroorganizmi, ki oksidirajo molekule substrata v tleh. Postopek poteka po formuli:

Zgodovina razvoja znanja o biološki oksidaciji

Proces, ki je osnova proizvodnje energije, je danes dobro znan. To je biološka oksidacija. Biokemija je tako podrobno preučila tankosti in mehanizme vseh stopenj delovanja, da skrivnosti skoraj ni več. Vendar tega ni bilovedno.

Prva omemba najkompleksnejših transformacij, ki se dogajajo v živih bitjih, ki so kemične reakcije v naravi, se je pojavila okoli 18. stoletja. V tem času se je Antoine Lavoisier, slavni francoski kemik, posvetil temu, kako podobna sta biološka oksidacija in izgorevanje. Izsledil je približno pot kisika, ki se absorbira med dihanjem, in prišel do zaključka, da se oksidacijski procesi dogajajo v telesu, le počasneje kot zunaj pri zgorevanju različnih snovi. To pomeni, da oksidant - molekule kisika - reagirajo z organskimi spojinami, natančneje z vodikom in ogljikom iz njih, in pride do popolne transformacije, ki jo spremlja razgradnja spojin.

Vendar, čeprav je ta domneva v bistvu povsem resnična, je marsikaj ostalo nerazumljivo. Na primer:

ker so procesi podobni, bi morali biti pogoji za njihov nastanek enaki, vendar oksidacija poteka pri nizki telesni temperaturi;
dejanja ne spremlja sproščanje ogromne količine toplotne energije in ne nastaja plamen;
živa bitja vsebujejo vsaj 75-80% vode, vendar to ne preprečuje "izgorevanja" hranil v njih.

Potrebovala so leta, da smo odgovorili na vsa ta vprašanja in razumeli, kaj v resnici je biološka oksidacija.

Obstajale so različne teorije, ki so namigovale na pomen prisotnosti kisika in vodika v procesu. Najpogostejši in najuspešnejši so bili:

Bachova teorija, imenovanaperoksid;
Palladinova teorija, ki temelji na konceptu "kromogenov".

V prihodnosti je bilo veliko več znanstvenikov, tako v Rusiji kot v drugih državah sveta, ki so postopoma dodajali in spreminjali vprašanje, kaj je biološka oksidacija. Sodobna biokemija lahko zahvaljujoč njihovemu delu pove o vsaki reakciji tega procesa. Med najbolj znanimi imeni na tem področju so naslednja:

Mitchell;
S. V. Severin;
Warburg;
B. A. Belitzer;
Leninger;
B. P. Skulachev;
Krebs;
Greene;
B. A. Engelhardt;
Kailin in drugi.

Vrste biološke oksidacije

Obstajata dve glavni vrsti obravnavanega procesa, ki se pojavljata pod različnimi pogoji. Torej je najpogostejši način pretvorbe hrane, ki jo prejmejo v številnih vrstah mikroorganizmov in gliv, anaerobni. To je biološka oksidacija, ki se izvaja brez dostopa do kisika in brez njegove udeležbe v kakršni koli obliki. Podobne razmere nastanejo tam, kjer ni dostopa do zraka: pod zemljo, v gnijočih podlagah, mulju, glini, močvirju in celo v vesolju.

Ta vrsta oksidacije ima drugo ime - glikoliza. Je tudi ena od stopenj bolj zapletenega in napornega, a energetsko bogatega procesa - aerobne transformacije ali tkivnega dihanja. To je druga vrsta obravnavanega postopka. Pojavlja se pri vseh aerobnih živih bitjih-heterotrofih, kikisik se uporablja za dihanje.

Torej so vrste biološke oksidacije naslednje.

Glikoliza, anaerobna pot. Ne zahteva prisotnosti kisika in povzroči različne oblike fermentacije.
Dihanje tkiva (oksidativna fosforilacija) ali aerobni pogled. Zahteva prisotnost molekularnega kisika.

Udeleženci v procesu

Nadaljujmo k obravnavanju samih lastnosti, ki jih vsebuje biološka oksidacija. Določimo glavne spojine in njihove okrajšave, ki jih bomo uporabljali v prihodnosti.

Acetilkoencim-A (acetil-CoA) je kondenzat oksalne in ocetne kisline s koencimom, ki nastane na prvi stopnji cikla trikarboksilne kisline.
Krebsov cikel (cikel citronske kisline, trikarboksilne kisline) je serija kompleksnih zaporednih redoks transformacij, ki jih spremlja sproščanje energije, redukcija vodika in tvorba pomembnih produktov z nizko molekulsko maso. Je glavna povezava v kata- in anabolizmu.
NAD in NADH - encim dehidrogenaza, pomeni nikotinamid adenin dinukleotid. Druga formula je molekula z vezanim vodikom. NADP - nikotinamid adenin dinukleotid fosfat.
FAD in FADN − flavin adenin dinukleotid - koencim dehidrogenaze.
ATP - adenozin trifosforjeva kislina.
PVC - pirovinska kislina ali piruvat.
sukcinat ali jantarna kislina, H₃PO₄− fosforna kislina.
GTP − gvanozin trifosfat, razred purinskih nukleotidov.
ETC - transportna veriga elektronov.
Encimi procesa: peroksidaze, oksigenaze, citokrom oksidaze, flavin dehidrogenaze, različni koencimi in druge spojine.

Vse te spojine so neposredni udeleženci v oksidacijskem procesu, ki poteka v tkivih (celicah) živih organizmov.

Stopnje biološke oksidacije: tabela

Ocena	Procesi in pomen
glikoliza	Bistvo procesa je v cepljenju monosaharidov brez kisika, ki poteka pred procesom celičnega dihanja in ga spremlja energijski izhod, enak dvema molekulama ATP. Nastane tudi piruvat. To je začetna stopnja za vsak živi organizem heterotrofa. Pomen pri tvorbi PVC, ki vstopi v kriste mitohondrijev in je substrat za oksidacijo tkiva s kisikom. Pri anaerobih se po glikolizi začnejo različni procesi fermentacije.
Oksidacija piruvata	Ta proces sestoji iz pretvorbe PVC-ja, ki nastane med glikolizo, v acetil-CoA. Izvaja se z uporabo specializiranega encimskega kompleksa piruvat dehidrogenaze. Rezultat so molekule cetil-CoA, ki vstopijo v Krebsov cikel. V istem procesu se NAD reducira v NADH. Kraj lokalizacije - kriste mitohondrijev.
Razgradnja beta maščobnih kislin	Ta postopek se izvaja vzporedno s prejšnjimmitohondrijske kriste. Njegovo bistvo je predelati vse maščobne kisline v acetil-CoA in jo spraviti v cikel trikarboksilne kisline. S tem se obnovi tudi NADH.
Krebsov cikel	Začne se s pretvorbo acetil-CoA v citronsko kislino, ki je podvržena nadaljnjim transformacijam. Ena najpomembnejših stopenj, ki vključuje biološko oksidacijo. Ta kislina je izpostavljena: dehidrogenacija; dekarboksilacija; regeneracija. Vsak postopek se izvede večkrat. Rezultat: GTP, ogljikov dioksid, reducirana oblika NADH in FADH₂. Hkrati se encimi biološke oksidacije prosto nahajajo v matriksu mitohondrijskih delcev.
Oksidativna fosforilacija	To je zadnji korak pri pretvorbi spojin v evkariontskih organizmih. V tem primeru se adenozin difosfat pretvori v ATP. Energija, potrebna za to, je pridobljena iz oksidacije tistih NADH in FADH₂ molekul, ki so nastale v prejšnjih fazah. Z zaporednimi prehodi vzdolž ETC in zmanjševanjem potencialov se energija sklepa v makroergičnih vezi ATP.

To so vsi procesi, ki spremljajo biološko oksidacijo s sodelovanjem kisika. Seveda niso v celoti opisani, ampak le v bistvu, saj je za podroben opis potrebno celo poglavje knjige. Vsi biokemični procesi živih organizmov so izjemno večplastni in kompleksni.

biološka oksidacija prisodelovanje kisika

Redoks reakcije procesa

Redoks reakcije, katerih primeri lahko ponazorijo zgoraj opisane procese oksidacije substrata, so naslednji.

Glikoliza: monosaharid (glukoza) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
Oksidacija piruvata: PVC + encim=ogljikov dioksid + acetaldehid. Nato naslednji korak: acetaldehid + koencim A=acetil-CoA.
Veliko zaporednih transformacij citronske kisline v Krebsovem ciklu.

Te redoks reakcije, katerih primeri so navedeni zgoraj, odražajo bistvo tekočih procesov le na splošno. Znano je, da so zadevne spojine bodisi visoke molekulske mase bodisi imajo velik ogljikov skelet, zato preprosto ni mogoče vsega predstaviti s popolnimi formulami.

Izhod energije pri dihanju tkiva

Iz zgornjih opisov je očitno, da ni težko izračunati skupnega energijskega izkoristka celotne oksidacije.

Glikoliza proizvede dve molekuli ATP.
Oksidacija piruvata 12 molekul ATP.
22 molekul na cikel citronske kisline.

Zaključek: popolna biološka oksidacija po aerobni poti daje izhod energije enak 36 molekul ATP. Pomen biološke oksidacije je očiten. Prav to energijo živi organizmi uporabljajo za življenje in delovanje, pa tudi za ogrevanje telesa, gibanje in druge potrebne stvari.

anaerobna oksidacija substrata

Druga vrsta biološke oksidacije je anaerobna. Se pravi takšna, ki jo izvajajo vsi, a se na njej ustavijo mikroorganizmi določenih vrst. To je glikoliza in iz nje se jasno zasledujejo razlike v nadaljnji transformaciji snovi med aerobnimi in anaerobnimi.

Na tej poti je nekaj korakov biološke oksidacije.

Glikoliza, to je oksidacija molekule glukoze v piruvat.
Fermentacija, ki vodi do regeneracije ATP.

Fermentacija je lahko različnih vrst, odvisno od vpletenih organizmov.

mlečnokislinska fermentacija

Izvajajo ga mlečnokislinske bakterije in nekatere glive. Bistvo je obnoviti PVC v mlečno kislino. Ta postopek se uporablja v industriji za pridobitev:

fermentirani mlečni izdelki;
fermentirana zelenjava in sadje;
silos za živali.

Ta vrsta fermentacije je ena najpogosteje uporabljenih v človeških potrebah.

Alkoholna fermentacija

Ljudem poznano že od antike. Bistvo postopka je pretvorba PVC v dve molekuli etanola in dva ogljikovega dioksida. Zaradi tega donosa izdelka se ta vrsta fermentacije uporablja za pridobitev:

kruh;
vino;
pivo;
slaščice in še več.

Izvajajo ga glive, kvasovke in mikroorganizmi bakterijske narave.

maslena fermentacija

Precej ozko specifična vrsta fermentacije. Izvajajo ga bakterije iz rodu Clostridium. Bistvo je pretvorba piruvata v masleno kislino, ki daje hrani neprijeten vonj in žarek okus.

Zato se biološke oksidacijske reakcije po tej poti v industriji praktično ne uporabljajo. Vendar te bakterije same sejejo hrano in povzročajo škodo ter znižujejo njeno kakovost.