Enerji olmadan tek bir canlı var olamaz. Sonuçta, her kimyasal reaksiyon, her süreç varlığını gerektirir. Bunu herkesin anlaması ve hissetmesi kolaydır. Bütün gün yemek yemezseniz, akşama ve hatta muhtemelen daha erken saatlerde artan yorgunluk, uyuşukluk belirtileri başlayacak, güç önemli ölçüde azalacaktır.
Farklı organizmalar enerji elde etmek için nasıl adapte oldu? Nereden gelir ve hücrenin içinde hangi işlemler gerçekleşir? Bu makaleyi anlamaya çalışalım.
Organizmalardan enerji elde etme
Canlılar nasıl enerji tüketirse tüketsin, ORR (oksidasyon-indirgenme reaksiyonları) her zaman temeldir. Çeşitli örnekler verilebilir. Yeşil bitkiler ve bazı bakteriler tarafından gerçekleştirilen fotosentez denklemi de OVR'dir. Doğal olarak süreçler hangi canlının kastedildiğine göre farklılık gösterecektir.
Yani, tüm hayvanlar heterotroftur. Yani kendi içlerinde bağımsız olarak hazır organik bileşikler oluşturamayan organizmalar,kimyasal bağların enerjisinin daha fazla bölünmesi ve serbest bırakılması.
Bitkiler, aksine, gezegenimizdeki en güçlü organik madde üreticisidir. Özel bir madde - klorofil etkisi altında sudan, karbondioksitten glikoz oluşumundan oluşan fotosentez adı verilen karmaşık ve önemli bir işlemi gerçekleştiren onlardır. Yan ürün, tüm aerobik canlılar için yaşam kaynağı olan oksijendir.
Redoks reaksiyonları, örnekleri bu süreci gösterir:
6CO2 + 6H2O=klorofil=C6H 10O6 + 6O2;
veya
karbondioksit + klorofil pigmentinin (reaksiyon enzimi) etkisi altındaki hidrojen oksit=monosakkarit + serbest moleküler oksijen
Gezegenin biyokütlesinin inorganik bileşiklerin kimyasal bağlarının enerjisini kullanabilen temsilcileri de var. Bunlara kemotrof denir. Bunlara birçok bakteri türü dahildir. Örneğin, topraktaki substrat moleküllerini oksitleyen hidrojen mikroorganizmaları. İşlem aşağıdaki formüle göre gerçekleşir:
Biyolojik oksidasyon bilgisinin gelişim tarihi
Enerji üretiminin altında yatan süreç bugün iyi bilinmektedir. Bu biyolojik oksidasyondur. Biyokimya, tüm eylem aşamalarının inceliklerini ve mekanizmalarını o kadar ayrıntılı olarak inceledi ki, neredeyse hiçbir gizem kalmadı. Ancak bu değildiher zaman.
Doğadaki kimyasal reaksiyonlar olan canlıların içinde meydana gelen en karmaşık dönüşümlerin ilk sözü 18. yüzyılda ortaya çıktı. Ünlü Fransız kimyager Antoine Lavoisier, dikkatini biyolojik oksidasyon ve yanmanın ne kadar benzer olduğuna yöneltti. Solunum sırasında emilen oksijenin yaklaşık yolunu izledi ve oksidasyon süreçlerinin vücutta meydana geldiği sonucuna vardı, ancak çeşitli maddelerin yanması sırasında dışarıdan daha yavaştı. Yani, oksitleyici ajan - oksijen molekülleri - organik bileşiklerle ve özellikle bunlardan hidrojen ve karbon ile reaksiyona girer ve bileşiklerin ayrışmasıyla birlikte tam bir dönüşüm meydana gelir.
Ancak, bu varsayım aslında oldukça gerçek olsa da, birçok şey anlaşılmaz kaldı. Örneğin:
- İşlemler benzer olduğundan, oluşum koşulları aynı olmalıdır, ancak oksidasyon düşük vücut sıcaklığında gerçekleşir;
- Eyleme çok miktarda termal enerji salınımı eşlik etmez ve alev oluşumu yoktur;
- canlılar en az %75-80 oranında su içerirler ancak bu, içindeki besinlerin "yanmasını" engellemez.
Bütün bu soruları yanıtlamak ve biyolojik oksidasyonun gerçekte ne olduğunu anlamak yıllar aldı.
Süreçte oksijen ve hidrojenin varlığının önemini ima eden farklı teoriler vardı. En yaygın ve en başarılı olanlar:
- Bach'ın teorisiperoksit;
- Palladin'in "kromojenler" kavramına dayanan teorisi.
Gelecekte, hem Rusya'da hem de dünyanın diğer ülkelerinde, biyolojik oksidasyonun ne olduğu sorusuna yavaş yavaş eklemeler ve değişiklikler yapan çok daha fazla bilim insanı vardı. Modern biyokimya, çalışmaları sayesinde bu sürecin her reaksiyonunu anlatabilir. Bu alandaki en ünlü isimler arasında şunlar bulunmaktadır:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Yeşil;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin ve diğerleri.
Biyolojik oksidasyon türleri
Göz önünde bulundurulan, farklı koşullar altında meydana gelen iki ana süreç türü vardır. Bu nedenle, birçok mikroorganizma ve mantar türünde alınan gıdayı dönüştürmenin en yaygın yolu anaerobiktir. Bu, oksijene erişim olmadan ve herhangi bir biçimde katılımı olmadan gerçekleştirilen biyolojik oksidasyondur. Havaya erişimin olmadığı yerlerde de benzer koşullar yaratılır: yer altında, çürüyen yüzeylerde, siltlerde, killerde, bataklıklarda ve hatta uzayda.
Bu oksidasyon türünün başka bir adı vardır - glikoliz. Aynı zamanda daha karmaşık ve zahmetli, ancak enerji açısından zengin bir sürecin aşamalarından biridir - aerobik dönüşüm veya doku solunumu. Bu, ele alınan ikinci tür işlemdir. Tüm aerobik canlılarda-heterotroflarda görülür.oksijen nefes almak için kullanılır.
Yani biyolojik oksidasyon türleri aşağıdaki gibidir.
- Glikoliz, anaerobik yol. Oksijen varlığı gerektirmez ve çeşitli fermantasyon biçimlerine neden olur.
- Doku solunumu (oksidatif fosforilasyon) veya aerobik görünüm. Moleküler oksijenin varlığını gerektirir.
Süreçteki katılımcılar
Biyolojik oksidasyonun içerdiği özelliklerin değerlendirmesine geçelim. Gelecekte kullanacağımız ana bileşikleri ve kıs altmalarını tanımlayalım.
- Asetilkoenzim-A (asetil-CoA), trikarboksilik asit döngüsünün ilk aşamasında oluşan bir koenzim ile oksalik ve asetik asidin bir kondensatıdır.
- Krebs döngüsü (sitrik asit döngüsü, trikarboksilik asitler), enerji salınımı, hidrojen indirgemesi ve önemli düşük moleküler ağırlıklı ürünlerin oluşumu ile birlikte bir dizi karmaşık sıralı redoks dönüşümüdür. Kata ve anabolizmadaki ana bağlantıdır.
- NAD ve NADH - dehidrojenaz enzimi, nikotinamid adenin dinükleotidi anlamına gelir. İkinci formül, hidrojen eklenmiş bir moleküldür. NADP - nikotinamid adenin dinükleotit fosfat.
- FAD ve FADN − flavin adenin dinükleotidi - dehidrojenazların koenzimi.
- ATP - adenosin trifosforik asit.
- PVC - piruvik asit veya piruvat.
- Süksinat veya süksinik asit, H3PO4− fosforik asit.
- GTP − guanozin trifosfat, pürin nükleotidlerinin sınıfı.
- ETC - elektron taşıma zinciri.
- Prosesin enzimleri: peroksidazlar, oksijenazlar, sitokrom oksidazlar, flavin dehidrogenazlar, çeşitli koenzimler ve diğer bileşikler.
Bütün bu bileşikler, canlı organizmaların dokularında (hücrelerinde) meydana gelen oksidasyon sürecinin doğrudan katılımcılarıdır.
Biyolojik oksidasyon aşamaları: tablo
| Sahne | Süreçler ve Anlam |
| Glikoliz | İşlemin özü, hücresel solunum sürecinden önce gelen ve iki ATP molekülüne eşit bir enerji çıkışının eşlik ettiği monosakkaritlerin oksijensiz parçalanmasında yatar. Piruvat da oluşur. Bu, bir heterotrofun herhangi bir canlı organizması için ilk aşamadır. Mitokondri kristallerine giren ve oksijenle doku oksidasyonu için bir substrat olan PVC'nin oluşumundaki önemi. Anaeroblarda glikolizden sonra çeşitli tiplerde fermantasyon süreçleri başlar. |
| Piruvat oksidasyonu | Bu işlem, glikoliz sırasında oluşan PVC'nin asetil-CoA'ya dönüştürülmesinden oluşur. Özel bir enzim kompleksi piruvat dehidrojenaz kullanılarak gerçekleştirilir. Sonuç, Krebs döngüsüne giren setil-CoA molekülleridir. Aynı süreçte, NAD, NADH'ye indirgenir. Lokalizasyon yeri - mitokondri kristası. |
| Beta yağ asitlerinin parçalanması | Bu işlem, bir öncekine paralel olarak gerçekleştirilir.mitokondriyal krista. Özü, tüm yağ asitlerini asetil-CoA'ya işlemek ve onu trikarboksilik asit döngüsüne koymaktır. Bu aynı zamanda NADH'yi de geri yükler. |
| Krebs döngüsü |
Asetil-CoA'nın daha fazla dönüşüme uğrayan sitrik aside dönüşümü ile başlar. Biyolojik oksidasyonu içeren en önemli aşamalardan biridir. Bu asit şunlara maruz kalır:
Her işlem birkaç kez yapılır. Sonuç: GTP, karbondioksit, indirgenmiş NADH formu ve FADH2. Aynı zamanda, biyolojik oksidasyon enzimleri mitokondriyal parçacıkların matrisinde serbestçe bulunur. |
| Oksidatif fosforilasyon | Ökaryotik organizmalarda bileşiklerin dönüştürülmesindeki son adımdır. Bu durumda, adenozin difosfat ATP'ye dönüştürülür. Bunun için gereken enerji, önceki aşamalarda oluşan NADH ve FADH2 moleküllerinin oksidasyonundan alınır. ETC boyunca ardışık geçişler ve potansiyellerde bir azalma yoluyla, ATP'nin makroerjik bağlarında enerji sonuçlandırılır. |
Bunların hepsi oksijenin katılımıyla biyolojik oksidasyona eşlik eden süreçlerdir. Doğal olarak, tam olarak tanımlanmazlar, ancak yalnızca özünde, ayrıntılı bir açıklama için kitabın bütün bir bölümüne ihtiyaç duyulduğundan. Canlı organizmaların tüm biyokimyasal süreçleri son derece çok yönlü ve karmaşıktır.
Sürecin redoks reaksiyonları
Örnekleri yukarıda açıklanan substrat oksidasyon işlemlerini gösterebilen redoks reaksiyonları aşağıdaki gibidir.
- Glikoliz: monosakkarit (glikoz) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Piruvat oksidasyonu: PVC + enzim=karbon dioksit + asetaldehit. Ardından bir sonraki adım: asetaldehit + Koenzim A=asetil-CoA.
- Krebs döngüsünde sitrik asidin birçok ardışık dönüşümü.
Yukarıda örnekleri verilen bu redoks reaksiyonları, sadece genel hatlarıyla devam eden süreçlerin özünü yansıtmaktadır. Söz konusu bileşiklerin ya yüksek molekül ağırlığına sahip oldukları ya da büyük bir karbon iskeletine sahip oldukları biliniyor, bu nedenle her şeyi tam formüllerle ifade etmek mümkün değil.
Doku solunumunun enerji çıkışı
Yukarıdaki açıklamalardan, tüm oksidasyonun toplam enerji verimini hesaplamanın zor olmadığı açıktır.
- Glikoliz iki ATP molekülü üretir.
- Pyruvat oksidasyonu 12 ATP molekülü.
- sitrik asit döngüsü başına 22 molekül.
Alt satır: aerobik yoldan tam biyolojik oksidasyon, 36 ATP molekülüne eşit bir enerji çıkışı verir. Biyolojik oksidasyonun önemi açıktır. Canlı organizmalar tarafından yaşam ve işlev görmenin yanı sıra vücutlarını ısıtmak, hareket etmek ve diğer gerekli şeyler için kullanılan bu enerjidir.
Substratın anaerobik oksidasyonu
İkinci biyolojik oksidasyon türü anaerobiktir. Yani, herkes tarafından gerçekleştirilen, ancak belirli türlerin mikroorganizmalarının durduğu. Bu glikolizdir ve aeroblar ve anaeroblar arasındaki maddelerin daha sonraki dönüşümündeki farklılıklar açıkça izlenir.
Bu yol boyunca birkaç biyolojik oksidasyon adımı vardır.
- Glikoliz, yani bir glikoz molekülünün piruvata oksidasyonu.
- ATP rejenerasyonuna yol açan fermantasyon.
Fermentasyon, ilgili organizmalara bağlı olarak farklı türlerde olabilir.
Laktik asit fermantasyonu
Laktik asit bakterileri ve bazı mantarlar tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak, PVC'yi laktik aside geri döndürmek. Bu süreç, endüstride aşağıdakileri elde etmek için kullanılır:
- fermente süt ürünleri;
- fermente sebze ve meyveler;
- hayvan siloları.
Bu fermantasyon türü insan ihtiyaçlarında en çok kullanılanlardan biridir.
Alkol fermantasyonu
Antik çağlardan beri insanlar tarafından bilinir. Sürecin özü, PVC'nin iki molekül etanol ve iki karbon dioksite dönüştürülmesidir. Bu ürün verimi nedeniyle, bu tür fermantasyon aşağıdakileri elde etmek için kullanılır:
- ekmek;
- şarap;
- bira;
- şekerleme ve daha fazlası.
Bakteriyel yapıdaki mantarlar, mayalar ve mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir.
Butirik fermantasyon
Oldukça dar spesifik bir fermantasyon türü. Clostridium cinsinin bakterileri tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak, piruvatın gıdaya hoş olmayan bir koku ve ekşi bir tat veren bütirik aside dönüştürülmesidir.
Bu nedenle, bu yolu izleyen biyolojik oksidasyon reaksiyonları endüstride pratik olarak kullanılmaz. Ancak bu bakteriler besinleri kendi kendilerine ekerek zarar vererek kalitelerini düşürürler.
