Biologisk oksidasjon. Redoksreaksjoner: eksempler

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2024-01-15 17:28

Uten energi kan ikke et eneste levende vesen eksistere. Tross alt, hver kjemisk reaksjon, hver prosess krever sin tilstedeværelse. Det er lett for alle å forstå og føle dette. Hvis du ikke spiser mat hele dagen, vil symptomer på økt tretthet, slapphet begynne om kvelden, og muligens enda tidligere, og styrken vil avta betydelig.

Hvordan har ulike organismer tilpasset seg for å få energi? Hvor kommer det fra og hvilke prosesser foregår inne i cellen? La oss prøve å forstå denne artikkelen.

Å få energi av organismer

Uansett hvordan skapninger bruker energi, er ORR (oksidasjons-reduksjonsreaksjoner) alltid grunnlaget. Ulike eksempler kan gis. Ligningen for fotosyntese, som utføres av grønne planter og noen bakterier, er også OVR. Naturligvis vil prosessene variere avhengig av hvilket levende vesen som menes.

Så, alle dyr er heterotrofer. Det vil si slike organismer som ikke er i stand til å selvstendig danne ferdige organiske forbindelser i seg selv forderes videre sp altning og frigjøring av energien til kjemiske bindinger.

Planter er tvert imot den mektigste produsenten av organisk materiale på planeten vår. Det er de som utfører en kompleks og viktig prosess k alt fotosyntese, som består i dannelsen av glukose fra vann, karbondioksid under påvirkning av et spesielt stoff - klorofyll. Biproduktet er oksygen, som er kilden til liv for alle aerobe levende ting.

Redox-reaksjoner, eksempler som illustrerer denne prosessen:

6CO₂ + 6H₂O=klorofyll=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

eller

karbondioksid + hydrogenoksid under påvirkning av klorofyllpigment (reaksjonsenzym)=monosakkarid + fritt molekylært oksygen

Det finnes også slike representanter for planetens biomasse som er i stand til å bruke energien til kjemiske bindinger av uorganiske forbindelser. De kalles kjemotrofer. Disse inkluderer mange typer bakterier. For eksempel hydrogenmikroorganismer som oksiderer substratmolekyler i jorda. Prosessen foregår i henhold til formelen:

Historie om utviklingen av kunnskap om biologisk oksidasjon

Prosessen som ligger til grunn for energiproduksjon er velkjent i dag. Dette er biologisk oksidasjon. Biokjemi har studert subtilitetene og mekanismene til alle handlingsstadier i så detalj at det nesten ikke er noen mysterier igjen. Dette var imidlertid ikkealltid.

Den første omtale av de mest komplekse transformasjonene som skjer inne i levende vesener, som er kjemiske reaksjoner i naturen, dukket opp rundt 1700-tallet. Det var på dette tidspunktet Antoine Lavoisier, den berømte franske kjemikeren, vendte oppmerksomheten mot hvor lik biologisk oksidasjon og forbrenning er. Han sporet den omtrentlige banen til oksygen absorbert under pusten og kom til den konklusjon at oksidasjonsprosesser skjer inne i kroppen, bare langsommere enn utenfor under forbrenning av forskjellige stoffer. Det vil si at oksidasjonsmidlet - oksygenmolekyler - reagerer med organiske forbindelser, og spesifikt, med hydrogen og karbon fra dem, og en fullstendig transformasjon skjer, ledsaget av dekomponering av forbindelsene.

Men selv om denne antagelsen i hovedsak er ganske reell, forble mange ting uforståelige. For eksempel:

• siden prosessene er like, bør betingelsene for deres forekomst være identiske, men oksidasjon skjer ved lav kroppstemperatur;
• handlingen er ikke ledsaget av frigjøring av en enorm mengde termisk energi og det er ingen flammedannelse;
• levende vesener inneholder minst 75-80 % vann, men dette forhindrer ikke «forbrenning» av næringsstoffer i dem.

Det tok år å svare på alle disse spørsmålene og forstå hva biologisk oksidasjon egentlig er.

Det var forskjellige teorier som antydet viktigheten av tilstedeværelsen av oksygen og hydrogen i prosessen. De vanligste og mest vellykkede var:

• Bachs teori, k altperoksid;
• Palladins teori, basert på konseptet "kromogener".

I fremtiden var det mange flere forskere, både i Russland og andre land i verden, som gradvis gjorde tillegg og endringer i spørsmålet om hva biologisk oksidasjon er. Moderne biokjemi, takket være deres arbeid, kan fortelle om hver reaksjon av denne prosessen. Blant de mest kjente navnene i dette området er følgende:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulachev;
• Krebs;
• Greene;
• B. A. Engelhardt;
• Kailin og andre.

Typer biologisk oksidasjon

Det er to hovedtyper av prosessen som vurderes, som skjer under forskjellige forhold. Så den vanligste måten å omdanne maten mottatt i mange arter av mikroorganismer og sopp er anaerob. Dette er biologisk oksidasjon, som utføres uten tilgang til oksygen og uten at den deltar i noen form. Lignende forhold skapes der det ikke er tilgang til luft: under jorden, i råtnende underlag, silt, leire, sumper og til og med i verdensrommet.

Denne typen oksidasjon har et annet navn - glykolyse. Det er også et av stadiene i en mer kompleks og arbeidskrevende, men energirik prosess - aerob transformasjon eller vevsrespirasjon. Dette er den andre typen prosess som vurderes. Det forekommer i alle aerobe levende skapninger-heterotrofer, somoksygen brukes til å puste.

Så typene biologisk oksidasjon er som følger.

1. Glykolyse, anaerob vei. Krever ikke tilstedeværelse av oksygen og resulterer i ulike former for gjæring.
2. Vevsånding (oksidativ fosforylering), eller aerob visning. Krever tilstedeværelse av molekylært oksygen.

Deltakere i prosessen

La oss gå videre til vurderingen av egenskapene som biologisk oksidasjon inneholder. La oss definere hovedforbindelsene og deres forkortelser, som vi vil bruke i fremtiden.

1. Acetylkoenzym-A (acetyl-CoA) er et kondensat av oksalsyre og eddiksyre med et koenzym, dannet i det første stadiet av trikarboksylsyresyklusen.
2. Krebs-syklusen (sitronsyresyklus, trikarboksylsyrer) er en serie komplekse sekvensielle redokstransformasjoner ledsaget av frigjøring av energi, hydrogenreduksjon og dannelse av viktige lavmolekylære produkter. Det er hovedleddet innen kata- og anabolisme.
3. NAD og NADH - dehydrogenase enzym, står for nikotinamid adenin dinukleotid. Den andre formelen er et molekyl med et vedlagt hydrogen. NADP - nikotinamidadenindinukleotidfosfat.
4. FAD og FADN − flavinadenindinukleotid - koenzym av dehydrogenaser.
5. ATP - adenosintrifosforsyre.
6. PVC - pyrodruesyre eller pyruvat.
7. succinat eller ravsyre, H₃PO₄− fosforsyre.
8. GTP − guanosintrifosfat, klasse av purin-nukleotider.
9. ETC - elektrontransportkjede.
10. prosessens enzymer: peroksidaser, oksygenaser, cytokromoksidaser, flavin-dehydrogenaser, ulike koenzymer og andre forbindelser.

Alle disse forbindelsene er direkte deltakere i oksidasjonsprosessen som skjer i vevet (cellene) til levende organismer.

Biologiske oksidasjonsstadier: tabell

Stage	Prosesser og mening
Glykolyse	Essensen av prosessen ligger i den oksygenfrie sp altningen av monosakkarider, som går foran prosessen med cellulær respirasjon og er ledsaget av en energiproduksjon lik to ATP-molekyler. Pyruvat dannes også. Dette er det innledende stadiet for enhver levende organisme av en heterotrof. Betydning i dannelsen av PVC, som kommer inn i mitokondrienes cristae og er et substrat for vevsoksidasjon med oksygen. Hos anaerobe starter etter glykolyse fermenteringsprosesser av ulike typer.
Pyruvatoksidasjon	Denne prosessen består i omdannelsen av PVC dannet under glykolyse til acetyl-CoA. Det utføres ved hjelp av et spesialisert enzymkompleks pyruvatdehydrogenase. Resultatet er cetyl-CoA-molekyler som går inn i Krebs-syklusen. I samme prosess reduseres NAD til NADH. Sted for lokalisering - cristae of mitochondria.
Nedbrytningen av betafettsyrer	Denne prosessen utføres parallelt med den forrige påmitokondrielle cristae. Essensen er å behandle alle fettsyrer til acetyl-CoA og sette det i trikarboksylsyresyklusen. Dette gjenoppretter også NADH.
Krebs-syklus	Begynner med omdannelsen av acetyl-CoA til sitronsyre, som gjennomgår ytterligere transformasjoner. En av de viktigste stadiene som inkluderer biologisk oksidasjon. Denne syren er utsatt for: dehydrogenering; dekarboksylering; regenerering. Hver prosess utføres flere ganger. Resultat: GTP, karbondioksid, redusert form av NADH og FADH2. Samtidig er biologiske oksidasjonsenzymer fritt plassert i matrisen av mitokondrielle partikler.
Oksidativ fosforylering	Dette er det siste trinnet i omdannelsen av forbindelser i eukaryote organismer. I dette tilfellet omdannes adenosindifosfat til ATP. Energien som trengs for dette er hentet fra oksidasjonen av de NADH- og FADH2-molekylene som ble dannet i de foregående stadiene. Gjennom suksessive overganger langs ETC og en reduksjon i potensialer, konkluderes energi i makroerge bindinger av ATP.

Dette er alle prosesser som følger med biologisk oksidasjon med deltagelse av oksygen. Naturligvis er de ikke fullstendig beskrevet, men bare i hovedsak, siden et helt kapittel av boken er nødvendig for en detaljert beskrivelse. Alle biokjemiske prosesser i levende organismer er ekstremt mangefasetterte og komplekse.

Redox-reaksjoner i prosessen

Redox-reaksjoner, som eksempler kan illustrere prosessene for substratoksidasjon beskrevet ovenfor, er som følger.

1. Glykolyse: monosakkarid (glukose) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Pyruvatoksidasjon: PVC + enzym=karbondioksid + acetaldehyd. Så neste trinn: acetaldehyd + koenzym A=acetyl-CoA.
3. Mange suksessive transformasjoner av sitronsyre i Krebs-syklusen.

Disse redoksreaksjonene, som er gitt eksempler på ovenfor, gjenspeiler bare essensen av de pågående prosessene i generelle termer. Det er kjent at de aktuelle forbindelsene enten har høy molekylvekt eller har et stort karbonskjelett, så det er rett og slett ikke mulig å representere alt med fulle formler.

Energieffekt av vevsrespirasjon

Fra beskrivelsene ovenfor er det åpenbart at det ikke er vanskelig å beregne det totale energiutbyttet av hele oksidasjonen.

1. Glykolyse produserer to ATP-molekyler.
2. Pyruvatoksidasjon 12 ATP-molekyler.
3. 22 molekyler per sitronsyresyklus.

Bunnlinje: fullstendig biologisk oksidasjon gjennom den aerobe banen gir en energiproduksjon lik 36 ATP-molekyler. Betydningen av biologisk oksidasjon er åpenbar. Det er denne energien som brukes av levende organismer til liv og funksjon, samt til oppvarming av kroppen, bevegelse og andre nødvendige ting.

Anaerob oksidasjon av underlaget

Den andre typen biologisk oksidasjon er anaerob. Det vil si en som utføres av alle, men som mikroorganismer av visse arter stopper på. Dette er glykolyse, og det er fra den forskjellene i videre omdanning av stoffer mellom aerobe og anaerobe spor spores tydelig.

Det er få biologiske oksidasjonstrinn langs denne veien.

1. Glykolyse, det vil si oksidasjon av et glukosemolekyl til pyruvat.
2. Fermentering som fører til ATP-regenerering.

Fermentering kan være av forskjellige typer, avhengig av hvilke organismer som er involvert.

melkesyregjæring

Utføres av melkesyrebakterier og noen sopp. Poenget er å gjenopprette PVC til melkesyre. Denne prosessen brukes i industrien for å oppnå:

• fermenterte melkeprodukter;
• fermenterte grønnsaker og frukt;
• dyrsiloer.

Denne typen gjæring er en av de mest brukte i menneskelige behov.

Alkoholgjæring

Kjent for folk siden antikken. Essensen av prosessen er omdannelsen av PVC til to molekyler etanol og to karbondioksid. På grunn av dette produktutbyttet brukes denne typen gjæring for å oppnå:

• brød;
• vin;
• øl;
• konfekt og mer.

Den utføres av sopp, gjær og mikroorganismer av bakteriell natur.

Smørgjæring

En ganske snevert spesifikk type gjæring. Utføres av bakterier av slekten Clostridium. Hovedpoenget er omdannelsen av pyruvat til smørsyre, som gir maten en ubehagelig lukt og harsk smak.

Derfor blir biologiske oksidasjonsreaksjoner som følger denne veien praktisk t alt ikke brukt i industrien. Disse bakteriene sår imidlertid mat på egenhånd og forårsaker skade, og reduserer kvaliteten.