Ilman energiaa ei voi olla yhtäkään elävää olentoa. Loppujen lopuksi jokainen kemiallinen reaktio, jokainen prosessi vaatii sen läsnäoloa. Jokaisen on helppo ymmärtää ja tuntea tämä. Jos et syö ruokaa koko päivän, niin iltaan mennessä ja mahdollisesti jopa aikaisemmin alkavat lisääntyneen väsymyksen, letargian oireet, voimat heikkenevät merkittävästi.
Miten eri organismit ovat sopeutuneet saamaan energiaa? Mistä se tulee ja mitä prosesseja solun sisällä tapahtuu? Yritetään ymmärtää tämä artikkeli.
Saa energiaa organismeista
Olenot kuluttavat energiaa millä tahansa tavalla, ORR (hapetus-pelkistysreaktiot) on aina perusta. Voidaan antaa erilaisia esimerkkejä. Vihreiden kasvien ja joidenkin bakteerien suorittaman fotosynteesin yhtälö on myös OVR. Luonnollisesti prosessit vaihtelevat riippuen siitä, mitä elävää olentoa tarkoitetaan.
Joten, kaikki eläimet ovat heterotrofeja. Eli sellaiset organismit, jotka eivät pysty itsenäisesti muodostamaan valmiita orgaanisia yhdisteitä itsessäänniiden halkeaminen edelleen ja kemiallisten sidosten energian vapautuminen.
Kasvit päinvastoin ovat planeettamme tehokkain orgaanisen aineen tuottaja. He suorittavat monimutkaisen ja tärkeän prosessin, jota kutsutaan fotosynteesiksi, joka koostuu glukoosin muodostumisesta vedestä, hiilidioksidista erityisen aineen - klorofyllin - vaikutuksesta. Sivutuote on happi, joka on elämän lähde kaikille aerobisille eliöille.
Redox-reaktiot, joista esimerkkejä havainnollistavat tätä prosessia:
6CO2 + 6H2O=klorofylli=C6H 10O6 + 6O2;
tai
hiilidioksidi + vetyoksidi klorofyllipigmentin (reaktioentsyymi) vaikutuksen alaisena=monosakkaridi + vapaa molekyylihappi
Planeetan biomassasta löytyy myös sellaisia edustajia, jotka pystyvät hyödyntämään epäorgaanisten yhdisteiden kemiallisten sidosten energiaa. Niitä kutsutaan kemotrofeiksi. Näihin kuuluu monenlaisia bakteereja. Esimerkiksi vetymikro-organismit, jotka hapettavat substraattimolekyylejä maaperässä. Prosessi tapahtuu seuraavan kaavan mukaan:
Biologisen hapettumisen tietämyksen kehityshistoria
Energian tuotannon taustalla oleva prosessi tunnetaan nykyään hyvin. Tämä on biologista hapettumista. Biokemia on tutkinut kaikkien vaikutusvaiheiden hienouksia ja mekanismeja niin yksityiskohtaisesti, että mysteereitä ei juuri ole jäljellä. Tämä ei kuitenkaan ollutaina.
Ensimmäinen maininta elävien olentojen sisällä tapahtuvista monimutkaisimmista muutoksista, jotka ovat luonnon kemiallisia reaktioita, ilmestyi noin 1700-luvulla. Tuolloin kuuluisa ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier kiinnitti huomionsa siihen, kuinka samank altaisia ovat biologinen hapettuminen ja palaminen. Hän jäljitti likimääräisen hengityksen aikana imeytyneen hapen polun ja tuli siihen tulokseen, että hapettumisprosessit tapahtuvat kehon sisällä, vain hitaammin kuin ulkona erilaisten aineiden palamisen aikana. Toisin sanoen hapettava aine - happimolekyylit - reagoi orgaanisten yhdisteiden ja erityisesti niistä peräisin olevan vedyn ja hiilen kanssa, ja tapahtuu täydellinen muutos, johon liittyy yhdisteiden hajoaminen.
Vaikka tämä olettamus on pohjimmiltaan varsin todellinen, monet asiat jäivät kuitenkin käsittämättömiksi. Esimerkki:
- koska prosessit ovat samank altaisia, niiden esiintymisolosuhteiden tulee olla identtiset, mutta hapettuminen tapahtuu alhaisessa ruumiinlämpötilassa;
- toimintaan ei liity v altavan määrän lämpöenergian vapautumista eikä liekkejä synny;
- elävät olennot sisältävät vähintään 75-80 % vettä, mutta tämä ei estä ravinteiden "palamista" niissä.
Kesti vuosia vastata kaikkiin näihin kysymyksiin ja ymmärtää, mitä biologinen hapettuminen todella on.
Oli erilaisia teorioita, jotka osoittivat hapen ja vedyn läsnäolon tärkeyden prosessissa. Yleisimmät ja menestyneimmät olivat:
- Bachin teoria, nsperoksidi;
- Palladinin teoria, joka perustuu "kromogeenien" käsitteeseen.
Tulevaisuudessa Venäjällä ja muissa maailman maissa oli paljon enemmän tutkijoita, jotka tekivät vähitellen lisäyksiä ja muutoksia kysymykseen siitä, mitä biologinen hapetus on. Nykyaikainen biokemia voi työnsä ansiosta kertoa tämän prosessin jokaisesta reaktiosta. Tämän alueen tunnetuimpia nimiä ovat seuraavat:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Vihreä;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin ja muut.
Biologisen hapettumisen tyypit
Käsiteltävänä olevaa prosessia on kaksi päätyyppiä, jotka tapahtuvat erilaisissa olosuhteissa. Joten yleisin tapa muuttaa monien mikro-organismien ja sienten saama ruoka on anaerobinen. Tämä on biologista hapetusta, joka suoritetaan ilman happea ja ilman sen osallistumista missään muodossa. Samanlaiset olosuhteet syntyvät siellä, missä ilmaa ei ole saatavilla: maan alla, mätäneessä substraatissa, lieteissä, savessa, soissa ja jopa avaruudessa.
Tällä hapetustyypillä on toinen nimi - glykolyysi. Se on myös yksi monimutkaisemman ja työläämmän, mutta energisesti rikkaan prosessin - aerobisen transformaation tai kudoshengityksen - vaiheista. Tämä on toinen harkittava prosessityyppi. Sitä esiintyy kaikissa aerobisissa elävissä olennoissa - heterotrofeissa, jotkahappea käytetään hengitykseen.
Joten biologisen hapettumisen tyypit ovat seuraavat.
- Glykolyysi, anaerobinen reitti. Ei vaadi happea ja johtaa erilaisiin käymismuotoihin.
- Kudoshengitys (hapettava fosforylaatio) tai aerobinen näkymä. Edellyttää molekyylisen hapen läsnäoloa.
Prosessin osallistujat
Siirrytään tarkastelemaan juuri niitä ominaisuuksia, joita biologinen hapettumis sisältää. Määritellään tärkeimmät yhdisteet ja niiden lyhenteet, joita tulemme käyttämään jatkossa.
- Asetyylikoentsyymi-A (asetyyli-CoA) on oksaali- ja etikkahapon kondensaatti koentsyymin kanssa, joka muodostuu trikarboksyylihappokierron ensimmäisessä vaiheessa.
- Krebsin sykli (sitruunahapposykli, trikarboksyylihapot) on sarja monimutkaisia peräkkäisiä redox-muunnoksia, joihin liittyy energian vapautuminen, vedyn pelkistyminen ja tärkeiden alhaisen molekyylipainon tuotteiden muodostuminen. Se on tärkein linkki kata- ja anabolismissa.
- NAD ja NADH - dehydrogenaasientsyymi, tarkoittaa nikotiiniamidiadeniinidinukleotidia. Toinen kaava on molekyyli, johon on kiinnitetty vety. NADP - nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti.
- FAD ja FADN − flaviiniadeniinidinukleotidi - dehydrogenaasien koentsyymi.
- ATP - adenosiinitrifosforihappo.
- PVC - pyruvaattihappo tai pyruvaatti.
- Sukkinaatti tai meripihkahappo, H3PO4− fosforihappo.
- GTP − guanosiinitrifosfaatti, puriininukleotidien luokka.
- ETC - elektroninkuljetusketju.
- Prosessin entsyymit: peroksidaasit, oksigenaasit, sytokromioksidaasit, flaviinidehydrogenaasit, erilaiset koentsyymit ja muut yhdisteet.
Kaikki nämä yhdisteet osallistuvat suoraan hapettumisprosessiin, joka tapahtuu elävien organismien kudoksissa (soluissa).
Biologiset hapetusvaiheet: taulukko
| Vaihe | Prosessit ja merkitys |
| Glykolyysi | Prosessin ydin on monosakkaridien hapettomassa pilkkomisessa, mikä edeltää soluhengitysprosessia ja johon liittyy kahden ATP-molekyylin energiantuotanto. Pyruvaattia muodostuu myös. Tämä on alkuvaihe kaikille heterotrofin elävälle organismille. Merkitys PVC:n muodostuksessa, joka tulee mitokondrioiden kideosaan ja on substraatti kudosten hapettumiselle. Anaerobeissa glykolyysin jälkeen alkavat erityyppiset käymisprosessit. |
| Pyruvaatin hapetus | Tämä prosessi koostuu glykolyysin aikana muodostuneen PVC:n muuntamisesta asetyyli-CoA:ksi. Se suoritetaan käyttämällä erikoistunutta entsyymikompleksia pyruvaattidehydrogenaasia. Tuloksena on setyyli-CoA-molekyylejä, jotka tulevat Krebsin kiertoon. Samassa prosessissa NAD pelkistetään NADH:ksi. Paikkapaikka - mitokondrioiden cristae. |
| Beeta-rasvahappojen hajoaminen | Tämä prosessi suoritetaan samanaikaisesti edellisen kanssamitokondrioiden cristae. Sen ydin on käsitellä kaikki rasvahapot asetyyli-CoA:ksi ja laittaa se trikarboksyylihappokiertoon. Tämä palauttaa myös NADH:n. |
| Krebsin kierto |
Alkaa asetyyli-CoA:n muuttumisesta sitruunahapoksi, joka muuttuu edelleen. Yksi tärkeimmistä vaiheista, joka sisältää biologisen hapettumisen. Tämä happo altistuu:
Jokainen prosessi suoritetaan useita kertoja. Tulos: GTP, hiilidioksidi, NADH:n pelkistetty muoto ja FADH2. Samaan aikaan biologiset hapetusentsyymit sijaitsevat vapaasti mitokondriopartikkelien matriisissa. |
| Oksidatiivinen fosforylaatio | Tämä on viimeinen vaihe yhdisteiden muuntamisessa eukaryoottisissa organismeissa. Tässä tapauksessa adenosiinidifosfaatti muuttuu ATP:ksi. Tähän tarvittava energia otetaan niiden NADH- ja FADH2 molekyylien hapettumisesta, jotka muodostuivat edellisissä vaiheissa. Peräkkäisten siirtymien ETC:tä pitkin ja potentiaalien pienentymisen kautta energia päätyy ATP:n makroergisiin sidoksiin. |
Nämä ovat kaikki prosesseja, jotka seuraavat biologista hapettumista hapen mukana. Luonnollisesti niitä ei ole kuvattu täysin, vaan vain pohjimmiltaan, koska yksityiskohtaiseen kuvaukseen tarvitaan koko kirjan luku. Kaikki elävien organismien biokemialliset prosessit ovat erittäin monitahoisia ja monimutkaisia.
Prosessin redox-reaktiot
Redox-reaktiot, joista esimerkit voivat havainnollistaa edellä kuvattuja substraatin hapettumisprosesseja, ovat seuraavat.
- Glykolyysi: monosakkaridi (glukoosi) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Pyruvaattihapetus: PVC + entsyymi=hiilidioksidi + asetaldehydi. Sitten seuraava vaihe: asetaldehydi + koentsyymi A=asetyyli-CoA.
- Monet peräkkäiset sitruunahapon muunnokset Krebsin syklissä.
Nämä redox-reaktiot, joista on esimerkkejä edellä, kuvastavat meneillään olevien prosessien olemusta vain yleisellä tasolla. Tiedetään, että kyseessä olevat yhdisteet ovat joko suurimolekyylipainoisia tai niissä on suuri hiilirunko, joten kaikkea ei yksinkertaisesti ole mahdollista esittää täydellä kaavalla.
Kudoshengityksen energiantuotanto
Edellisistä kuvauksista käy ilmi, että koko hapettumisen kokonaisenergian saannon laskeminen ei ole vaikeaa.
- Glykolyysi tuottaa kaksi ATP-molekyyliä.
- Pyruvaattihapetus 12 ATP-molekyyliä.
- 22 molekyyliä per sitruunahapposykli.
Bottom line: täydellinen biologinen hapettuminen aerobisen reitin kautta tuottaa energiaa, joka vastaa 36 ATP-molekyyliä. Biologisen hapettumisen merkitys on ilmeinen. Juuri tätä energiaa elävät organismit käyttävät elämäänsä ja toimintaansa sekä kehonsa lämmittämiseen, liikkumiseen ja muihin tarpeellisiin asioihin.
Substraatin anaerobinen hapetus
Toinen biologisen hapettumisen tyyppi on anaerobinen. Eli sellainen, jota kaikki suorittavat, mutta johon tiettyjen lajien mikro-organismit pysähtyvät. Tämä on glykolyysiä, ja siitä voidaan selvästi jäljittää erot aerobien ja anaerobien välisessä aineiden jatkomuutoksessa.
Tällä polulla on muutamia biologisia hapettumisvaiheita.
- Glykolyysi, eli glukoosimolekyylin hapetus pyruvaatiksi.
- ATP:n regeneraatioon johtava käyminen.
Kermentointi voi olla erityyppistä riippuen mukana olevista organismeista.
Maitohappokäyminen
Maitohappobakteerien ja joidenkin sienten aiheuttama. Tärkeintä on palauttaa PVC maitohapoksi. Tätä prosessia käytetään teollisuudessa saamaan:
- hapatetut maitotuotteet;
- hapatetut vihannekset ja hedelmät;
- eläinsiilot.
Tämäntyyppinen käyminen on yksi eniten käytetyistä ihmisten tarpeissa.
Alkoholikäyminen
Ihmiset tunteneet antiikista lähtien. Prosessin ydin on PVC:n muuntaminen kahdeksi etanolimolekyyliksi ja kahdeksi hiilidioksidiksi. Tämän tuotteen saannon vuoksi tämän tyyppistä käymistä käytetään saamaan:
- leipä;
- viini;
- olut;
- makeiset ja paljon muuta.
Senet, hiiva ja bakteeriluonteiset mikro-organismit suorittavat sen.
Voihappokäyminen
Melko kapeasti erityinen käymismuoto. Clostridium-suvun bakteerit suorittavat. Tärkeintä on pyruvaatin muuttuminen voihapoksi, mikä antaa ruoalle epämiellyttävän hajun ja eltaantuneen maun.
Siksi tätä polkua seuraavia biologisia hapetusreaktioita ei käytännössä käytetä teollisuudessa. Nämä bakteerit kuitenkin kylvävät ruokaa itsestään ja aiheuttavat haittaa, mikä heikentää niiden laatua.
