Oxidare biologică. Reacții redox: exemple

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-15 17:29

Fără energie, nici o singură ființă vie nu poate exista. La urma urmei, fiecare reacție chimică, fiecare proces necesită prezența sa. Este ușor pentru oricine să înțeleagă și să simtă acest lucru. Dacă nu mănânci mâncare toată ziua, până seara, și posibil chiar mai devreme, vor începe simptomele de oboseală crescută, letargia, puterea va scădea semnificativ.

Cum s-au adaptat diferitele organisme pentru a obține energie? De unde provine și ce procese au loc în interiorul celulei? Să încercăm să înțelegem acest articol.

Obținerea energiei de către organisme

Indiferent de modul în care creaturile consumă energie, ORR (reacțiile de oxidare-reducere) sunt întotdeauna baza. Se pot da diverse exemple. Ecuația fotosintezei, care este efectuată de plante verzi și unele bacterii, este, de asemenea, OVR. Desigur, procesele vor diferi în funcție de ce ființă vie este vorba.

Deci, toate animalele sunt heterotrofe. Adică, astfel de organisme care nu sunt capabile să formeze în mod independent compuși organici gata preparate în sine pentruscindarea lor în continuare și eliberarea energiei legăturilor chimice.

Plantele, dimpotrivă, sunt cel mai puternic producător de materie organică de pe planeta noastră. Ei sunt cei care efectuează un proces complex și important numit fotosinteză, care constă în formarea de glucoză din apă, dioxid de carbon sub acțiunea unei substanțe speciale - clorofila. Produsul secundar este oxigenul, care este sursa vieții pentru toate ființele vii aerobe.

Reacții redox, dintre care exemple ilustrează acest proces:

6CO₂ + 6H₂O=clorofila=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

dioxid de carbon + oxid de hidrogen sub influența pigmentului clorofilei (enzima de reacție)=monozaharidă + oxigen molecular liber

Există și astfel de reprezentanți ai biomasei planetei care sunt capabili să folosească energia legăturilor chimice ale compușilor anorganici. Se numesc chimiotrofe. Acestea includ multe tipuri de bacterii. De exemplu, microorganismele cu hidrogen care oxidează moleculele substratului din sol. Procesul are loc după formula:

Istoria dezvoltării cunoștințelor oxidării biologice

Procesul care stă la baza producției de energie este bine cunoscut astăzi. Aceasta este oxidarea biologică. Biochimia a studiat subtilitățile și mecanismele tuturor etapelor de acțiune atât de detaliat încât aproape că nu mai există mistere. Cu toate acestea, acest lucru nu a fostîntotdeauna.

Prima mențiune despre cele mai complexe transformări care au loc în interiorul ființelor vii, care sunt reacții chimice în natură, a apărut în jurul secolului al XVIII-lea. În acest moment, Antoine Lavoisier, celebrul chimist francez, și-a îndreptat atenția asupra cât de asemănătoare sunt oxidarea biologică și arderea. El a trasat calea aproximativă a oxigenului absorbit în timpul respirației și a ajuns la concluzia că procesele de oxidare au loc în interiorul corpului, doar mai lent decât în exterior în timpul arderii diferitelor substanțe. Adică, agentul de oxidare - moleculele de oxigen - reacționează cu compușii organici, și în mod specific, cu hidrogenul și carbonul din aceștia, și are loc o transformare completă, însoțită de descompunerea compușilor.

Cu toate acestea, deși această presupunere este în esență destul de reală, multe lucruri au rămas de neînțeles. De exemplu:

deoarece procesele sunt similare, atunci condițiile pentru apariția lor ar trebui să fie identice, dar oxidarea are loc la temperatură scăzută a corpului;
acțiunea nu este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de energie termică și nu se formează flacără;
ființele vii conțin cel puțin 75-80% apă, dar acest lucru nu împiedică „arderea” nutrienților din ele.

Au fost nevoie de ani pentru a răspunde la toate aceste întrebări și a înțelege ce este cu adevărat oxidarea biologică.

Au existat diferite teorii care implicau importanța prezenței oxigenului și hidrogenului în proces. Cele mai comune și cele mai de succes au fost:

Teoria lui Bach, numităperoxid;
Teoria lui Palladin, bazată pe conceptul de „cromogeni”.

În viitor, au existat mult mai mulți oameni de știință, atât în Rusia, cât și în alte țări ale lumii, care au făcut treptat completări și modificări la întrebarea ce este oxidarea biologică. Biochimia modernă, datorită muncii lor, poate spune despre fiecare reacție a acestui proces. Printre cele mai cunoscute nume din această zonă se numără următoarele:

Mitchell;
S. V. Severin;
Warburg;
B. A. Belitzer;
Leninger;
B. P. Skulachev;
Krebs;
Verde;
B. A. Engelhardt;
Kailin și alții.

Tipuri de oxidare biologică

Există două tipuri principale de proces luate în considerare, care apar în condiții diferite. Deci, cea mai comună modalitate de transformare a alimentelor primite în multe specii de microorganisme și ciuperci este anaerobă. Aceasta este oxidarea biologică, care se realizează fără acces la oxigen și fără participarea sa sub nicio formă. Condiții similare sunt create acolo unde nu există acces la aer: sub pământ, în substraturi putrezite, nămoluri, argile, mlaștini și chiar și în spațiu.

Acest tip de oxidare are un alt nume - glicoliză. Este, de asemenea, una dintre etapele unui proces mai complex și laborios, dar bogat din punct de vedere energetic - transformarea aerobă sau respirația tisulară. Acesta este al doilea tip de proces luat în considerare. Apare la toate creaturile vii aerobe-heterotrofe, careoxigenul este folosit pentru respirație.

Deci tipurile de oxidare biologică sunt următoarele.

Glicoliza, cale anaerobă. Nu necesită prezența oxigenului și are ca rezultat diferite forme de fermentație.
Respirație tisulară (fosforilare oxidativă) sau vedere aerobă. Necesită prezența oxigenului molecular.

Participanți în proces

Să trecem la luarea în considerare a caracteristicilor pe care le conține oxidarea biologică. Să definim compușii principali și abrevierile lor, pe care îi vom folosi în viitor.

Acetilcoenzima-A (acetil-CoA) este un condensat de acid oxalic și acetic cu o coenzimă, format în prima etapă a ciclului acidului tricarboxilic.
Ciclul Krebs (ciclul acidului citric, acizi tricarboxilici) este o serie de transformări redox secvențiale complexe, însoțite de eliberarea de energie, reducerea hidrogenului și formarea de produse importante cu greutate moleculară mică. Este veriga principală în cata- și anabolism.
NAD și NADH - enzimă dehidrogenază, reprezintă nicotinamidă adenin dinucleotidă. A doua formulă este o moleculă cu un hidrogen atașat. NADP - nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat.
FAD și FADN − flavin adenin dinucleotide - coenzima dehidrogenazelor.
ATP - acid adenozin trifosforic.
PVC - acid piruvic sau piruvat.
Succinat sau acid succinic, H₃PO₄− acid fosforic.
GTP − trifosfat de guanozină, clasă de nucleotide purinice.
ETC - lanț de transport de electroni.
Enzime ale procesului: peroxidaze, oxigenaze, citocrom oxidaze, flavin dehidrogenaze, diverse coenzime și alți compuși.

Toți acești compuși sunt participanți direcți la procesul de oxidare care are loc în țesuturile (celulele) organismelor vii.

Etape de oxidare biologică: tabel

Stage	Procese și semnificație
Glicoliza	Esența procesului constă în scindarea fără oxigen a monozaharidelor, care precede procesul de respirație celulară și este însoțită de o producție de energie egală cu două molecule de ATP. Se formează și piruvat. Aceasta este etapa inițială pentru orice organism viu al unui heterotrof. Semnificație în formarea PVC, care pătrunde în cresta mitocondriilor și este un substrat pentru oxidarea țesuturilor de către oxigen. La anaerobi, după glicoliză, încep procese de fermentație de diferite tipuri.
Oxidarea piruvatului	Acest proces constă în transformarea PVC-ului format în timpul glicolizei în acetil-CoA. Se efectuează folosind un complex enzimatic specializat piruvat dehidrogenază. Rezultatul sunt molecule cetil-CoA care intră în ciclul Krebs. În același proces, NAD este redus la NADH. Locul de localizare - cristalele mitocondriilor.
Defalcarea acizilor grași beta	Acest proces se desfășoară în paralel cu cel anterior de pecresta mitocondrială. Esența sa este de a procesa toți acizii grași în acetil-CoA și de a-l introduce în ciclul acidului tricarboxilic. Acest lucru restabilește și NADH.
ciclul Krebs	Începe cu conversia acetil-CoA în acid citric, care suferă transformări ulterioare. Una dintre cele mai importante etape care include oxidarea biologică. Acest acid este expus la: dehidrogenare; decarboxilare; regenerare. Fiecare proces este efectuat de mai multe ori. Rezultat: GTP, dioxid de carbon, formă redusă de NADH și FADH₂. În același timp, enzimele de oxidare biologică sunt localizate liber în matricea particulelor mitocondriale.
Fosforilarea oxidativă	Acesta este ultimul pas în conversia compușilor în organismele eucariote. În acest caz, adenozin difosfatul este transformat în ATP. Energia necesară pentru aceasta este preluată din oxidarea acelor molecule NADH și FADH₂ care s-au format în etapele anterioare. Prin tranziții succesive de-a lungul ETC și o scădere a potențialelor, energia se încheie în legături macroergice ale ATP.

Acestea sunt toate procesele care însoțesc oxidarea biologică cu participarea oxigenului. Desigur, ele nu sunt descrise pe deplin, ci doar în esență, deoarece este nevoie de un întreg capitol al cărții pentru o descriere detaliată. Toate procesele biochimice ale organismelor vii sunt extrem de multiple și complexe.

oxidare biologică laparticiparea oxigenului

Reacții redox ale procesului

Reacțiile redox, exemple ale cărora pot ilustra procesele de oxidare a substratului descrise mai sus, sunt următoarele.

Glicoliza: monozaharidă (glucoză) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
Oxidarea piruvatului: PVC + enzimă=dioxid de carbon + acetaldehidă. Apoi următorul pas: acetaldehidă + Coenzima A=acetil-CoA.
Multe transformări succesive ale acidului citric în ciclul Krebs.

Aceste reacții redox, dintre care exemple sunt date mai sus, reflectă esența proceselor în curs doar în termeni generali. Se știe că compușii în cauză sunt fie cu greutate moleculară mare, fie au un schelet mare de carbon, așa că pur și simplu nu este posibil să se reprezinte totul cu formule complete.

Energia produsă de respirația tisulară

Din descrierile de mai sus, este evident că nu este dificil de calculat randamentul total de energie al întregii oxidări.

Glicoliza produce două molecule de ATP.
Oxidarea piruvatului 12 molecule de ATP.
22 de molecule pe ciclu de acid citric.

Concluzie: oxidarea biologică completă prin calea aerobă dă o producție de energie egală cu 36 de molecule de ATP. Importanța oxidării biologice este evidentă. Această energie este folosită de organismele vii pentru viață și funcționare, precum și pentru încălzirea corpului, mișcarea și alte lucruri necesare.

Oxidarea anaerobă a substratului

Al doilea tip de oxidare biologică este anaerobă. Adică unul care este efectuat de toată lumea, dar asupra căruia se opresc microorganismele anumitor specii. Aceasta este glicoliză și din aceasta sunt urmărite clar diferențele în transformarea ulterioară a substanțelor între aerobi și anaerobi.

Există câțiva pași de oxidare biologică de-a lungul acestei căi.

Glicoliza, adică oxidarea unei molecule de glucoză la piruvat.
Fermentarea care duce la regenerarea ATP.

Fermentația poate fi de diferite tipuri, în funcție de organismele implicate.

Fermentația acidului lactic

Efectuat de bacterii lactice și unele ciuperci. Concluzia este de a restabili PVC-ul la acid lactic. Acest proces este utilizat în industrie pentru a obține:

produse din lapte fermentat;
legume și fructe fermentate;
silozuri pentru animale.

Acest tip de fermentație este unul dintre cele mai utilizate în nevoile umane.

Fermentație alcoolică

Cunoscut de oameni încă din antichitate. Esența procesului este conversia PVC-ului în două molecule de etanol și două dioxid de carbon. Datorită randamentului acestui produs, acest tip de fermentație este folosit pentru a obține:

pâine;
vin;
bere;
produse de cofetărie și multe altele.

Este realizat de ciuperci, drojdii și microorganisme de natură bacteriană.

Fermentație butirică

Un tip de fermentație destul de restrâns. Efectuat de bacterii din genul Clostridium. Concluzia este conversia piruvatului în acid butiric, care conferă alimentelor un miros neplăcut și un gust rânced.

De aceea, reacțiile biologice de oxidare care urmează această cale practic nu sunt utilizate în industrie. Cu toate acestea, aceste bacterii seamănă singure alimente și provoacă rău, scăzând calitatea lor.