Energia nélkül egyetlen élőlény sem létezhet. Hiszen minden kémiai reakció, minden folyamat megköveteli a jelenlétét. Ezt bárki könnyen megértheti és átérezheti. Ha egész nap nem eszik, akkor estére, de esetleg még korábban is jelentkeznek a fokozott fáradtság, levertség tünetei, az erőnlét jelentősen csökken.
Hogyan alkalmazkodtak a különböző organizmusok az energiaszerzéshez? Honnan származik és milyen folyamatok mennek végbe a sejten belül? Próbáljuk megérteni ezt a cikket.
Energiaszerzés az élőlényektől
Bármilyen módon is fogyasztják a lények az energiát, az ORR (oxidációs-redukciós reakciók) mindig az alap. Különféle példákat lehet mondani. A fotoszintézis egyenlete, amelyet zöld növények és egyes baktériumok hajtanak végre, szintén OVR. Természetesen a folyamatok eltérőek lesznek attól függően, hogy melyik élőlényre gondolunk.
Tehát minden állat heterotróf. Vagyis olyan szervezetek, amelyek nem képesek önállóan kész szerves vegyületeket képezni magukbantovábbi felhasadásuk és a kémiai kötések energiájának felszabadulása.
A növények éppen ellenkezőleg, bolygónkon a legerősebb szervesanyag-termelők. Ők végzik el a fotoszintézisnek nevezett összetett és fontos folyamatot, amely glükóz képződéséből áll vízből, szén-dioxidból egy speciális anyag - a klorofill - hatására. A melléktermék az oxigén, amely minden aerob élőlény életforrása.
Redox reakciók, amelyekre példák illusztrálják ezt a folyamatot:
6CO2 + 6H2O=klorofill=C6H 10O6 + 6O2;
vagy
szén-dioxid + hidrogén-oxid klorofill pigment (reakcióenzim) hatására=monoszacharid + szabad molekuláris oxigén
A bolygó biomasszájának vannak olyan képviselői is, amelyek képesek felhasználni a szervetlen vegyületek kémiai kötéseinek energiáját. Ezeket kemotrófoknak nevezik. Ezek sokféle baktériumot tartalmaznak. Például a hidrogén mikroorganizmusok, amelyek oxidálják a szubsztrát molekulákat a talajban. A folyamat a következő képlet szerint zajlik:
A biológiai oxidáció ismereteinek fejlődésének története
Az energiatermelés alapjául szolgáló folyamat ma már jól ismert. Ez biológiai oxidáció. A biokémia olyan részletesen tanulmányozta a hatás összes szakaszának finomságait és mechanizmusait, hogy szinte nem maradtak rejtélyek. Ez azonban nem így voltmindig.
Az élőlényekben végbemenő legbonyolultabb átalakulásokról, amelyek a természetben kémiai reakciókról van szó, először a 18. század körül jelentek meg. Ekkoriban fordult Antoine Lavoisier, a híres francia kémikus figyelme arra, hogy mennyire hasonló a biológiai oxidáció és az égés. Nyomon követte a légzés során felszívódó oxigén hozzávetőleges útját, és arra a következtetésre jutott, hogy a szervezeten belül oxidációs folyamatok mennek végbe, csak lassabban, mint kívül, különböző anyagok égése során. Azaz az oxidálószer - az oxigénmolekulák - reakcióba lép a szerves vegyületekkel, pontosabban a hidrogénnel és a belőlük lévő szénnel, és teljes átalakulás megy végbe, a vegyületek bomlásával együtt.
Azonban bár ez a feltételezés lényegében teljesen valós, sok minden érthetetlen maradt. Például:
- mivel a folyamatok hasonlóak, előfordulásuk feltételeinek azonosaknak kell lenniük, de az oxidáció alacsony testhőmérsékleten megy végbe;
- az akciót nem kíséri hatalmas mennyiségű hőenergia felszabadulása, és nincs lángképződés;
- az élőlények legalább 75-80% vizet tartalmaznak, de ez nem akadályozza meg bennük a tápanyagok "elégését".
Évekbe telt, hogy megválaszoljuk ezeket a kérdéseket, és megértsük, mi is valójában a biológiai oxidáció.
Különböző elméletek ut altak arra, hogy az oxigén és a hidrogén jelenléte fontos a folyamatban. A leggyakoribb és legsikeresebbek a következők voltak:
- Bach elmélete, az únperoxid;
- Palladin elmélete, amely a „kromogén” fogalmán alapul.
A jövőben sokkal több tudós volt mind Oroszországban, mind a világ más országaiban, akik fokozatosan kiegészítették és módosították a biológiai oxidáció kérdését. A modern biokémia munkájuknak köszönhetően elmondhatja ennek a folyamatnak minden reakcióját. Ezen a területen a leghíresebb nevek közé tartoznak a következők:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Zöld;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin és mások.
A biológiai oxidáció típusai
A vizsgált folyamatnak két fő típusa van, amelyek különböző körülmények között fordulnak elő. Tehát a legtöbb mikroorganizmus- és gombafajban a kapott táplálék átalakításának leggyakoribb módja az anaerob. Ez biológiai oxidáció, amelyet oxigénhez való hozzáférés nélkül és annak bármilyen formában történő részvétele nélkül hajtanak végre. Hasonló körülmények jönnek létre ott, ahol nincs hozzáférés a levegőhöz: a föld alatt, a rothadó aljzatokban, iszapokban, agyagokban, mocsarakban és még az űrben is.
Ennek az oxidációtípusnak egy másik neve is van – glikolízis. Ez is egy bonyolultabb és munkaigényesebb, de energetikailag gazdag folyamat - aerob átalakulás vagy szöveti légzés - egyik szakasza. Ez a vizsgált folyamat második típusa. Minden aerob élőlényben-heterotrófban előfordul, amioxigént használnak a légzéshez.
Tehát a biológiai oxidáció típusai a következők.
- Glikolízis, anaerob útvonal. Nem igényel oxigén jelenlétét, és az erjedés különféle formáit eredményezi.
- Szöveti légzés (oxidatív foszforiláció), vagy aerob nézet. Molekuláris oxigén jelenlétét igényli.
Részvevők a folyamatban
Térjünk át a biológiai oxidáció sajátosságainak figyelembevételére. Határozzuk meg a főbb vegyületeket és azok rövidítéseit, amelyeket a jövőben használni fogunk.
- Az acetilkoenzim-A (acetil-CoA) oxálsav és ecetsav koenzimmel alkotott kondenzátuma, amely a trikarbonsavciklus első szakaszában képződik.
- A Krebs-ciklus (citromsav-ciklus, trikarbonsavak) összetett szekvenciális redox átalakulások sorozata, energia felszabadulásával, hidrogén redukciójával és fontos kis molekulatömegű termékek képződésével. Ez a fő láncszem a kata- és az anabolizmusban.
- NAD és NADH - dehidrogenáz enzim, a nikotinamid-adenin-dinukleotid rövidítése. A második képlet egy molekula, amelyhez hidrogén kapcsolódik. NADP – nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát.
- FAD és FADN − flavin-adenin-dinukleotid – dehidrogenázok koenzimje.
- ATP – adenozin-trifoszforsav.
- PVC – piroszőlősav vagy piruvát.
- Szukcinát vagy borostyánkősav, H3PO4− foszforsav.
- GTP − guanozin-trifoszfát, a purin nukleotidok osztálya.
- ETC - elektronszállítási lánc.
- A folyamat enzimei: peroxidázok, oxigenázok, citokróm-oxidázok, flavin-dehidrogenázok, különféle koenzimek és egyéb vegyületek.
Ezek a vegyületek az élő szervezetek szöveteiben (sejtjeiben) végbemenő oxidációs folyamat közvetlen résztvevői.
Biológiai oxidációs szakaszok: táblázat
| Stage | Folyamatok és jelentése |
| Glikolízis | A folyamat lényege a monoszacharidok oxigénmentes felhasadásában rejlik, ami megelőzi a sejtlégzés folyamatát, és két ATP-molekulának megfelelő energiakibocsátással jár. Piruvát is képződik. Ez a kezdeti szakasz bármely heterotróf élő szervezet számára. Jelentősége a PVC képződésében, amely a mitokondriumok krisztusaiba kerül, és a szövetek oxigén általi oxidációjának szubsztrátja. Az anaerobokban a glikolízis után különböző típusú fermentációs folyamatok indulnak meg. |
| Piruvát-oxidáció | Ez a folyamat abból áll, hogy a glikolízis során keletkező PVC-t acetil-CoA-vá alakítják. Ezt egy speciális, piruvát-dehidrogenáz enzimkomplex segítségével hajtják végre. Az eredmény cetil-CoA molekulák, amelyek belépnek a Krebs-ciklusba. Ugyanebben a folyamatban a NAD NADH-vá redukálódik. A lokalizáció helye - a mitokondriumok cristae. |
| A béta-zsírsavak lebontása | Ez a folyamat az előző bekapcsolással párhuzamosan történikmitokondriális cristae. Lényege, hogy az összes zsírsavat acetil-CoA-vá dolgozza fel, és bekapcsolja a trikarbonsav körforgásba. Ezzel visszaállítja a NADH-t is. |
| Krebs ciklus |
Az acetil-CoA citromsavvá történő átalakulásával kezdődik, amely további átalakuláson megy keresztül. Az egyik legfontosabb szakasz, amely magában foglalja a biológiai oxidációt. Ez a sav a következőknek van kitéve:
Minden folyamat többször megtörténik. Eredmény: GTP, szén-dioxid, a NADH redukált formája és a FADH2. Ugyanakkor a biológiai oxidációs enzimek szabadon helyezkednek el a mitokondriális részecskék mátrixában. |
| Oxidatív foszforiláció | Ez az utolsó lépés a vegyületek átalakulásában az eukarióta szervezetekben. Ebben az esetben az adenozin-difoszfát ATP-vé alakul. Az ehhez szükséges energiát azon NADH és FADH2 molekulák oxidációjából veszik, amelyek az előző szakaszokban keletkeztek. Az ETC mentén egymást követő átmenetek és a potenciálok csökkenése révén az energia az ATP makroerg kötéseiben kötődik. |
Ezek mind olyan folyamatok, amelyek az oxigén részvételével zajló biológiai oxidációt kísérik. Természetesen nincsenek teljesen leírva, csak a lényegükben, hiszen a részletes leíráshoz a könyv egész fejezete kell. Az élő szervezetek minden biokémiai folyamata rendkívül sokrétű és összetett.
A folyamat redox reakciói
A redox reakciók, amelyek példái illusztrálják a fent leírt szubsztrát oxidációs folyamatokat, a következők.
- Glikolízis: monoszacharid (glükóz) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Piruvát oxidáció: PVC + enzim=szén-dioxid + acetaldehid. Ezután a következő lépés: acetaldehid + koenzim A=acetil-CoA.
- A citromsav számos egymást követő átalakulása a Krebs-ciklusban.
Ezek a redox-reakciók, amelyekre fentebb példákat adunk, csak általánosságban tükrözik a folyamatban lévő folyamatok lényegét. Ismeretes, hogy a szóban forgó vegyületek vagy nagy molekulatömegűek, vagy nagy szénvázzal rendelkeznek, ezért egyszerűen nem lehet mindent teljes képletekkel ábrázolni.
A szöveti légzés energiakibocsátása
A fenti leírásokból nyilvánvaló, hogy nem nehéz kiszámítani a teljes oxidáció teljes energiahozamát.
- A glikolízis két ATP-molekulát termel.
- Piruvát oxidáció 12 ATP molekula.
- 22 molekula citromsavciklusonként.
A lényeg: az aerob útvonalon keresztül történő teljes biológiai oxidáció 36 ATP-molekulának megfelelő energiát ad. A biológiai oxidáció jelentősége nyilvánvaló. Ezt az energiát használják az élő szervezetek életükhöz és működésükhöz, valamint testük felmelegítésére, mozgásra és egyéb szükséges dolgokra.
A szubsztrátum anaerob oxidációja
A biológiai oxidáció második típusa az anaerob. Vagyis olyan, amelyet mindenki végrehajt, de amelyen bizonyos fajok mikroorganizmusai megállnak. Ez a glikolízis, és ebből egyértelműen nyomon követhetőek az aerobok és az anaerobok közötti anyagok további átalakulásának különbségei.
Kevés biológiai oxidációs lépés van ezen az úton.
- Glikolízis, vagyis egy glükózmolekula oxidációja piruváttá.
- Az ATP regenerációjához vezető fermentáció.
Az erjesztés különböző típusú lehet, az érintett szervezetektől függően.
Tejsavas erjesztés
Tejsavbaktériumok és néhány gomba hajtja végre. A lényeg a PVC tejsavvá történő visszaállítása. Ezt az eljárást az iparban használják a következők előállítására:
- erjesztett tejtermékek;
- erjesztett zöldségek és gyümölcsök;
- állatsilók.
Ez az erjesztési mód az egyik leggyakrabban használt emberi szükséglet.
Alkoholerjesztés
Az ókor óta ismerik az emberek. Az eljárás lényege, hogy a PVC-t két molekula etanollá és két szén-dioxiddá alakítják. Ennek a termékhozamnak köszönhetően ezt az erjesztési módot a következők előállítására használják:
- kenyér;
- bor;
- sör;
- cukrászat és egyebek.
Gomák, élesztőgombák és bakteriális természetű mikroorganizmusok hajtják végre.
Vajas erjesztés
A fermentáció meglehetősen szűken meghatározott típusa. A Clostridium nemzetségbe tartozó baktériumok hajtják végre. A lényeg az, hogy a piruvát vajsavvá alakul, ami kellemetlen szagot és avas ízt ad az ételnek.
Ezért az ezen utat követő biológiai oxidációs reakciókat gyakorlatilag nem alkalmazzák az iparban. Ezek a baktériumok azonban önmagukban vetik el a táplálékot, és károkat okoznak, rontva minőségüket.
