Biologisk oxidation. Redoxreaktioner: eksempler

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-15 17:22

Uden energi kan ikke et eneste levende væsen eksistere. Når alt kommer til alt, kræver enhver kemisk reaktion, hver proces sin tilstedeværelse. Det er let for enhver at forstå og føle dette. Hvis du ikke spiser mad hele dagen, vil der om aftenen, og muligvis endnu tidligere, symptomer på øget træthed, sløvhed begynde, styrken vil falde betydeligt.

Hvordan har forskellige organismer tilpasset sig for at få energi? Hvor kommer det fra, og hvilke processer finder sted inde i cellen? Lad os prøve at forstå denne artikel.

Få energi fra organismer

Uanset hvilken måde skabninger forbruger energi på, er ORR (oxidations-reduktionsreaktioner) altid grundlaget. Der kan gives forskellige eksempler. Ligningen for fotosyntese, som udføres af grønne planter og nogle bakterier, er også OVR. Naturligvis vil processerne være forskellige afhængigt af, hvilket levende væsen der menes.

Så alle dyr er heterotrofer. Det vil sige sådanne organismer, der ikke selvstændigt er i stand til at danne færdige organiske forbindelser i sig selv forderes yderligere sp altning og frigivelse af energien fra kemiske bindinger.

Planter er tværtimod den mest magtfulde producent af organisk materiale på vores planet. Det er dem, der udfører en kompleks og vigtig proces kaldet fotosyntese, som består i dannelsen af glukose fra vand, kuldioxid under påvirkning af et særligt stof - klorofyl. Biproduktet er ilt, som er kilden til liv for alle aerobe levende væsener.

Redox-reaktioner, som eksempler illustrerer denne proces:

6CO₂ + 6H₂O=klorofyl=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

eller

kuldioxid + hydrogenoxid under påvirkning af klorofylpigment (reaktionsenzym)=monosaccharid + frit molekylært oxygen

Der er også sådanne repræsentanter for planetens biomasse, der er i stand til at bruge energien fra kemiske bindinger af uorganiske forbindelser. De kaldes kemotrofer. Disse omfatter mange typer bakterier. For eksempel brintmikroorganismer, der oxiderer substratmolekyler i jorden. Processen foregår efter formlen:

Historie om udviklingen af viden om biologisk oxidation

Processen, der ligger til grund for energiproduktion, er velkendt i dag. Dette er biologisk oxidation. Biokemi har studeret subtiliteterne og mekanismerne i alle handlingsstadier i så detaljer, at der næsten ingen mysterier er tilbage. Dette var dog ikke altid.

Den første omtale af de mest komplekse transformationer, der forekommer inde i levende væsener, som er kemiske reaktioner i naturen, dukkede op omkring det 18. århundrede. Det var på dette tidspunkt, at Antoine Lavoisier, den berømte franske kemiker, rettede sin opmærksomhed mod, hvor ens biologisk oxidation og forbrænding er. Han sporede den omtrentlige vej af ilt absorberet under vejrtrækningen og kom til den konklusion, at oxidationsprocesser forekommer inde i kroppen, kun langsommere end udenfor under forbrændingen af forskellige stoffer. Det vil sige, at oxidationsmidlet - oxygenmolekyler - reagerer med organiske forbindelser, og specifikt med brint og kulstof fra dem, og der sker en fuldstændig transformation, ledsaget af nedbrydning af forbindelserne.

Men selv om denne antagelse i det væsentlige er ret reel, forblev mange ting uforståelige. For eksempel:

• da processerne er ens, bør betingelserne for deres forekomst være identiske, men oxidation sker ved lav kropstemperatur;
• handlingen er ikke ledsaget af frigivelse af en enorm mængde termisk energi, og der er ingen flammedannelse;
• levende væsener indeholder mindst 75-80 % vand, men dette forhindrer ikke "forbrænding" af næringsstoffer i dem.

Det tog år at besvare alle disse spørgsmål og forstå, hvad biologisk oxidation egentlig er.

Der var forskellige teorier, der antydede vigtigheden af tilstedeværelsen af ilt og brint i processen. De mest almindelige og mest succesrige var:

• Bachs teori, kaldetperoxid;
• Palladins teori, baseret på begrebet "kromogener".

I fremtiden var der mange flere videnskabsmænd, både i Rusland og andre lande i verden, som gradvist lavede tilføjelser og ændringer til spørgsmålet om, hvad biologisk oxidation er. Moderne biokemi, takket være deres arbejde, kan fortælle om hver reaktion af denne proces. Blandt de mest berømte navne i dette område er følgende:

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

Typer af biologisk oxidation

Der er to hovedtyper af processen under overvejelse, som finder sted under forskellige forhold. Så den mest almindelige måde at omdanne den mad, der modtages i mange arter af mikroorganismer og svampe, er anaerob. Dette er biologisk oxidation, som udføres uden adgang til ilt og uden dets deltagelse i nogen form. Lignende forhold skabes, hvor der ikke er adgang til luft: under jorden, i rådnende underlag, silt, ler, sumpe og endda i rummet.

Denne type oxidation har et andet navn - glykolyse. Det er også et af stadierne i en mere kompleks og besværlig, men energirig proces - aerob transformation eller vævsrespiration. Dette er den anden type proces, der overvejes. Det forekommer i alle aerobe levende væsner-heterotrofer, somilt bruges til at trække vejret.

Så typerne af biologisk oxidation er som følger.

1. Glykolyse, anaerob vej. Kræver ikke tilstedeværelse af ilt og resulterer i forskellige former for gæring.
2. Vævsånding (oxidativ fosforylering) eller aerob udsyn. Kræver tilstedeværelsen af molekylært oxygen.

Deltagere i processen

Lad os gå videre til overvejelserne om de egenskaber, som biologisk oxidation indeholder. Lad os definere hovedforbindelserne og deres forkortelser, som vi vil bruge i fremtiden.

1. Acetylcoenzym-A (acetyl-CoA) er et kondensat af oxalsyre og eddikesyre med et coenzym, dannet i det første trin af tricarboxylsyrecyklussen.
2. Krebs-cyklussen (citronsyrecyklus, tricarboxylsyrer) er en række komplekse sekventielle redoxtransformationer ledsaget af frigivelse af energi, hydrogenreduktion og dannelse af vigtige lavmolekylære produkter. Det er hovedleddet i kata- og anabolisme.
3. NAD og NADH - dehydrogenase enzym, står for nicotinamid adenin dinukleotid. Den anden formel er et molekyle med et vedhæftet brint. NADP - nikotinamid adenindinukleotidphosphat.
4. FAD og FADN − flavinadenindinukleotid - coenzym af dehydrogenaser.
5. ATP - adenosintriphosphorsyre.
6. PVC - pyrodruesyre eller pyruvat.
7. Succinat eller ravsyre, H₃PO₄− phosphorsyre.
8. GTP − guanosintrifosfat, klasse af purin-nukleotider.
9. ETC - elektrontransportkæde.
10. Processens enzymer: peroxidaser, oxygenaser, cytochromoxidaser, flavin-dehydrogenaser, forskellige coenzymer og andre forbindelser.

Alle disse forbindelser er direkte deltagere i oxidationsprocessen, der finder sted i levende organismers væv (celler).

Biologiske oxidationsstadier: tabel

Stage	Processer og betydning
Glykolyse	Essensen af processen ligger i den iltfrie sp altning af monosaccharider, som går forud for processen med cellulær respiration og er ledsaget af et energioutput svarende til to ATP-molekyler. Pyruvat dannes også. Dette er den indledende fase for enhver levende organisme af en heterotrof. Betydning i dannelsen af PVC, som trænger ind i mitokondriers cristae og er et substrat for vævsoxidation med oxygen. Hos anaerobe begynder fermenteringsprocesser af forskellige typer efter glykolyse.
Pyruvatoxidation	Denne proces består i omdannelsen af PVC dannet under glykolyse til acetyl-CoA. Det udføres ved hjælp af et specialiseret enzymkompleks pyruvatdehydrogenase. Resultatet er cetyl-CoA-molekyler, der kommer ind i Krebs-cyklussen. I samme proces reduceres NAD til NADH. Lokaliseringssted - cristae af mitokondrier.
Nedbrydningen af beta-fedtsyrer	Denne proces udføres parallelt med den forrigemitokondrielle cristae. Dens essens er at forarbejde alle fedtsyrer til acetyl-CoA og sætte det i tricarboxylsyrecyklussen. Dette gendanner også NADH.
Krebs-cyklus	Begynder med omdannelsen af acetyl-CoA til citronsyre, som undergår yderligere transformationer. Et af de vigtigste stadier, der inkluderer biologisk oxidation. Denne syre er udsat for: dehydrogenering; decarboxylering; regenerering. Hver proces udføres flere gange. Resultat: GTP, kuldioxid, reduceret form af NADH og FADH2. Samtidig er biologiske oxidationsenzymer frit placeret i mitokondrielle partiklers matrix.
Oxidativ phosphorylering	Dette er det sidste trin i omdannelsen af forbindelser i eukaryote organismer. I dette tilfælde omdannes adenosindiphosphat til ATP. Den nødvendige energi til dette er taget fra oxidationen af de NADH- og FADH2-molekyler, der blev dannet i de foregående stadier. Gennem successive overgange langs ETC og et fald i potentialer, sluttes energi i makroerge bindinger af ATP

Dette er alle processer, der ledsager biologisk oxidation med deltagelse af ilt. Naturligvis er de ikke fuldstændigt beskrevet, men kun i det væsentlige, da et helt kapitel af bogen er nødvendig for en detaljeret beskrivelse. Alle biokemiske processer i levende organismer er ekstremt mangefacetterede og komplekse.

Redox-reaktioner i processen

Redox-reaktioner, som eksempler kan illustrere de ovenfor beskrevne substratoxidationsprocesser, er som følger.

1. Glykolyse: monosaccharid (glucose) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Pyruvatoxidation: PVC + enzym=kuldioxid + acetaldehyd. Så det næste trin: acetaldehyd + Coenzym A=acetyl-CoA.
3. Mange successive transformationer af citronsyre i Krebs-cyklussen.

Disse redoxreaktioner, hvoraf eksempler er givet ovenfor, afspejler kun essensen af de igangværende processer i generelle vendinger. Det er kendt, at de pågældende forbindelser enten har høj molekylvægt eller har et stort kulstofskelet, så det er simpelthen ikke muligt at repræsentere alt med fulde formler.

Energioutput fra vævsrespiration

Ud fra ovenstående beskrivelser er det indlysende, at det ikke er svært at beregne det samlede energiudbytte af hele oxidationen.

1. Glykolyse producerer to ATP-molekyler.
2. Pyruvatoxidation 12 ATP-molekyler.
3. 22 molekyler pr. citronsyrecyklus.

Bundlinje: fuldstændig biologisk oxidation gennem den aerobe vej giver et energioutput svarende til 36 ATP-molekyler. Betydningen af biologisk oxidation er indlysende. Det er denne energi, der bruges af levende organismer til liv og funktion, såvel som til opvarmning af deres kroppe, bevægelse og andre nødvendige ting.

Anaerob oxidation af substratet

Den anden type biologisk oxidation er anaerob. Det vil sige en, der udføres af alle, men som mikroorganismer af visse arter stopper på. Dette er glykolyse, og det er fra den, at forskellene i den videre omdannelse af stoffer mellem aerobe og anaerobe spor tydeligt spores.

Der er få biologiske oxidationstrin langs denne vej.

1. Glykolyse, det vil sige oxidation af et glukosemolekyle til pyruvat.
2. Fermentering, der fører til ATP-regenerering.

Fermentering kan være af forskellige typer, afhængigt af de involverede organismer.

Mælkesyregæring

Udføres af mælkesyrebakterier og nogle svampe. Den nederste linje er at genoprette PVC til mælkesyre. Denne proces bruges i industrien til at opnå:

• fermenterede mælkeprodukter;
• fermenterede grøntsager og frugter;
• dyresiloer.

Denne type gæring er en af de mest anvendte i menneskelige behov.

Alkoholgæring

Kendt af folk siden antikken. Essensen af processen er omdannelsen af PVC til to molekyler ethanol og to kuldioxid. På grund af dette produktudbytte bruges denne type gæring til at opnå:

• brød;
• vin;
• øl;
• konfekture og mere.

Det udføres af svampe, gær og mikroorganismer af bakteriel natur.

Smørsyregæring

En ret snævert specifik type gæring. Udføres af bakterier af slægten Clostridium. Bundlinjen er omdannelsen af pyruvat til smørsyre, som giver maden en ubehagelig lugt og harsk smag.

Derfor bruges biologiske oxidationsreaktioner, der følger denne vej, praktisk t alt ikke i industrien. Disse bakterier sår dog mad på egen hånd og forårsager skade, hvilket forringer deres kvalitet.