Zonder energie kan geen enkel levend wezen bestaan. Elke chemische reactie, elk proces heeft immers zijn aanwezigheid nodig. Het is voor iedereen gemakkelijk te begrijpen en te voelen. Als u de hele dag geen voedsel eet, zullen tegen de avond, en mogelijk zelfs eerder, symptomen van verhoogde vermoeidheid, lethargie beginnen en zal de kracht aanzienlijk afnemen.
Hoe hebben verschillende organismen zich aangepast om energie te verkrijgen? Waar komt het vandaan en welke processen vinden er in de cel plaats? Laten we proberen dit artikel te begrijpen.
Energie verkrijgen door organismen
Hoe wezens ook energie verbruiken, ORR (oxidatie-reductiereacties) vormen altijd de basis. Er zijn verschillende voorbeelden te geven. De vergelijking van fotosynthese, die wordt uitgevoerd door groene planten en sommige bacteriën, is ook OVR. Natuurlijk zullen de processen verschillen, afhankelijk van welk levend wezen wordt bedoeld.
Dus alle dieren zijn heterotrofen. Dat wil zeggen, dergelijke organismen die niet in staat zijn om zelfstandig kant-en-klare organische verbindingen in zichzelf te vormen voor:hun verdere splitsing en afgifte van de energie van chemische bindingen.
Planten daarentegen zijn de krachtigste producent van organisch materiaal op onze planeet. Zij zijn het die een complex en belangrijk proces uitvoeren, fotosynthese genaamd, dat bestaat uit de vorming van glucose uit water, koolstofdioxide onder invloed van een speciale stof - chlorofyl. Het bijproduct is zuurstof, de bron van leven voor alle aerobe levende wezens.
Redoxreacties, waarvan voorbeelden dit proces illustreren:
6CO2 + 6H2O=chlorofyl=C6H 10O6 + 6O2;
of
kooldioxide + waterstofoxide onder invloed van chlorofylpigment (reactie-enzym)=monosacharide + vrije moleculaire zuurstof
Er zijn ook vertegenwoordigers van de biomassa van de planeet die de energie van chemische bindingen van anorganische verbindingen kunnen gebruiken. Ze worden chemotrofen genoemd. Deze omvatten vele soorten bacteriën. Bijvoorbeeld waterstofmicro-organismen die substraatmoleculen in de bodem oxideren. Het proces verloopt volgens de formule:
Geschiedenis van de ontwikkeling van kennis van biologische oxidatie
Het proces dat ten grondslag ligt aan de energieproductie is vandaag de dag welbekend. Dit is biologische oxidatie. De biochemie heeft de subtiliteiten en mechanismen van alle actiestadia zo gedetailleerd bestudeerd dat er bijna geen mysteries meer zijn. Dit was echter niet altijd.
De eerste vermelding van de meest complexe transformaties die plaatsvinden in levende wezens, die chemische reacties in de natuur zijn, verscheen rond de 18e eeuw. Het was in deze tijd dat Antoine Lavoisier, de beroemde Franse chemicus, zijn aandacht richtte op hoe vergelijkbaar biologische oxidatie en verbranding zijn. Hij volgde het geschatte pad van zuurstof dat tijdens de ademhaling wordt geabsorbeerd en kwam tot de conclusie dat oxidatieprocessen in het lichaam plaatsvinden, alleen langzamer dan buiten tijdens de verbranding van verschillende stoffen. Dat wil zeggen, het oxidatiemiddel - zuurstofmoleculen - reageert met organische verbindingen, en specifiek met waterstof en koolstof daaruit, en er vindt een volledige transformatie plaats, vergezeld van ontleding van de verbindingen.
Hoewel deze veronderstelling in wezen heel reëel is, bleven veel dingen echter onbegrijpelijk. Bijvoorbeeld:
- aangezien de processen vergelijkbaar zijn, zouden de omstandigheden voor hun optreden identiek moeten zijn, maar oxidatie vindt plaats bij lage lichaamstemperatuur;
- de actie gaat niet gepaard met het vrijkomen van een enorme hoeveelheid thermische energie en er is geen vlamvorming;
- levende wezens bevatten minstens 75-80% water, maar dit verhindert niet het "verbranden" van voedingsstoffen in hen.
Het kostte jaren om al deze vragen te beantwoorden en te begrijpen wat biologische oxidatie werkelijk is.
Er waren verschillende theorieën die het belang van de aanwezigheid van zuurstof en waterstof in het proces impliceerden. De meest voorkomende en meest succesvolle waren:
- Bach's theorie, genaamdperoxide;
- Palladins theorie, gebaseerd op het concept van "chromogenen".
In de toekomst waren er veel meer wetenschappers, zowel in Rusland als in andere landen van de wereld, die geleidelijk aanvullingen en veranderingen aanbrachten in de vraag wat biologische oxidatie is. Dankzij hun werk kan de moderne biochemie vertellen over elke reactie van dit proces. Een van de meest bekende namen in dit gebied zijn de volgende:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin en anderen.
Soorten biologische oxidatie
Er zijn twee hoofdtypen van het beschouwde proces, die plaatsvinden onder verschillende omstandigheden. Dus de meest gebruikelijke manier om het voedsel dat in veel soorten micro-organismen en schimmels wordt ontvangen, om te zetten, is anaëroob. Dit is biologische oxidatie, die wordt uitgevoerd zonder toegang tot zuurstof en zonder zijn deelname in welke vorm dan ook. Soortgelijke omstandigheden worden gecreëerd waar geen toegang tot lucht is: ondergronds, in rottende substraten, slib, klei, moerassen en zelfs in de ruimte.
Dit type oxidatie heeft een andere naam - glycolyse. Het is ook een van de stadia van een complexer en arbeidsintensiever, maar energetisch rijk proces - aërobe transformatie of weefselademhaling. Dit is het tweede type proces dat wordt overwogen. Het komt voor in alle aërobe levende wezens-heterotrofen, diezuurstof wordt gebruikt om te ademen.
Dus de soorten biologische oxidatie zijn als volgt.
- Glycolyse, anaërobe route. Vereist geen aanwezigheid van zuurstof en resulteert in verschillende vormen van fermentatie.
- Weefselademhaling (oxidatieve fosforylering) of aërobe zicht. Vereist de aanwezigheid van moleculaire zuurstof.
Deelnemers in het proces
Laten we overgaan tot de overweging van de kenmerken die biologische oxidatie bevat. Laten we de belangrijkste verbindingen en hun afkortingen definiëren, die we in de toekomst zullen gebruiken.
- Acetylco-enzym-A (acetyl-CoA) is een condensaat van oxaal- en azijnzuur met een co-enzym, gevormd in de eerste fase van de tricarbonzuurcyclus.
- De Krebs-cyclus (citroenzuurcyclus, tricarbonzuren) is een reeks complexe opeenvolgende redoxtransformaties die gepaard gaan met het vrijkomen van energie, waterstofreductie en de vorming van belangrijke producten met een laag molecuulgewicht. Het is de belangrijkste schakel in kata- en anabolisme.
- NAD en NADH - dehydrogenase-enzym, staat voor nicotinamide-adenine-dinucleotide. De tweede formule is een molecuul met waterstof eraan vast. NADP - nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat.
- FAD en FADN − flavine adenine dinucleotide - co-enzym van dehydrogenases.
- ATP - adenosinetrifosforzuur.
- PVC - pyrodruivenzuur of pyruvaat.
- Succinaat of barnsteenzuur, H3PO4− fosforzuur.
- GTP − guanosinetrifosfaat, klasse van purinenucleotiden.
- ETC - elektronentransportketen.
- Enzymen van het proces: peroxidasen, oxygenasen, cytochroomoxidasen, flavinedehydrogenasen, verschillende co-enzymen en andere verbindingen.
Al deze verbindingen zijn directe deelnemers aan het oxidatieproces dat plaatsvindt in de weefsels (cellen) van levende organismen.
Biologische oxidatiestadia: tabel
| Podium | Processen en betekenis |
| Glycolyse | De essentie van het proces ligt in de zuurstofvrije splitsing van monosachariden, die voorafgaat aan het proces van cellulaire ademhaling en gepaard gaat met een energie-output gelijk aan twee ATP-moleculen. Pyruvaat wordt ook gevormd. Dit is de beginfase voor elk levend organisme van een heterotroof. Betekenis bij de vorming van PVC, dat de cristae van mitochondriën binnendringt en een substraat is voor weefseloxidatie door zuurstof. In anaëroben beginnen na glycolyse verschillende soorten fermentatieprocessen. |
| Pyruvaat oxidatie | Dit proces bestaat uit de omzetting van PVC gevormd tijdens glycolyse in acetyl-CoA. Het wordt uitgevoerd met behulp van een gespecialiseerd enzymcomplex pyruvaatdehydrogenase. Het resultaat zijn cetyl-CoA-moleculen die de Krebs-cyclus binnengaan. In hetzelfde proces wordt NAD gereduceerd tot NADH. Plaats van lokalisatie - cristae van mitochondriën. |
| De afbraak van bèta-vetzuren | Dit proces wordt parallel aan het vorige uitgevoerd opmitochondriale cristae. De essentie is om alle vetzuren te verwerken tot acetyl-CoA en dit in de tricarbonzuurcyclus te plaatsen. Dit herstelt ook NADH. |
| Krebs-cyclus |
Begint met de omzetting van acetyl-CoA in citroenzuur, dat verdere transformaties ondergaat. Een van de belangrijkste fasen die biologische oxidatie omvat. Dit zuur wordt blootgesteld aan:
Elk proces wordt meerdere keren uitgevoerd. Resultaat: GTP, kooldioxide, gereduceerde vorm van NADH en FADH2. Tegelijkertijd bevinden biologische oxidatie-enzymen zich vrij in de matrix van mitochondriale deeltjes. |
| Oxidatieve fosforylering | Dit is de laatste stap in de omzetting van verbindingen in eukaryote organismen. In dit geval wordt adenosinedifosfaat omgezet in ATP. De energie die hiervoor nodig is, wordt gehaald uit de oxidatie van die NADH- en FADH2-moleculen die in de vorige fasen zijn gevormd. Door opeenvolgende overgangen langs de ETC en een afname van de potentialen, wordt energie vastgelegd in macro-erge bindingen van ATP. |
Dit zijn allemaal processen die gepaard gaan met biologische oxidatie met de deelname van zuurstof. Natuurlijk worden ze niet volledig beschreven, maar alleen in essentie, aangezien een heel hoofdstuk van het boek nodig is voor een gedetailleerde beschrijving. Alle biochemische processen van levende organismen zijn zeer veelzijdig en complex.
Redoxreacties van het proces
Redoxreacties, waarvan voorbeelden de hierboven beschreven processen van substraatoxidatie kunnen illustreren, zijn als volgt.
- Glycolyse: monosacharide (glucose) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Pyruvaatoxidatie: PVC + enzym=koolstofdioxide + aceetaldehyde. Dan de volgende stap: aceetaldehyde + Co-enzym A=acetyl-CoA.
- Veel opeenvolgende transformaties van citroenzuur in de Krebs-cyclus.
Deze redoxreacties, waarvan hierboven voorbeelden zijn gegeven, weerspiegelen de essentie van de lopende processen alleen in algemene termen. Het is bekend dat de verbindingen in kwestie ofwel een hoog molecuulgewicht hebben of een groot koolstofskelet hebben, dus het is gewoon niet mogelijk om alles met volledige formules weer te geven.
Energie-output van weefselademhaling
Uit de bovenstaande beschrijvingen is het duidelijk dat het niet moeilijk is om de totale energieopbrengst van de gehele oxidatie te berekenen.
- Glycolyse produceert twee ATP-moleculen.
- Pyruvaatoxidatie 12 ATP-moleculen.
- 22 moleculen per citroenzuurcyclus.
Kortom: volledige biologische oxidatie via de aerobe route geeft een energie-output die gelijk is aan 36 ATP-moleculen. Het belang van biologische oxidatie is duidelijk. Het is deze energie die door levende organismen wordt gebruikt voor leven en functioneren, maar ook voor het verwarmen van hun lichaam, beweging en andere noodzakelijke dingen.
Anaërobe oxidatie van het substraat
Het tweede type biologische oxidatie is anaëroob. Dat wil zeggen, een die door iedereen wordt uitgevoerd, maar waarop micro-organismen van bepaalde soorten stoppen. Dit is glycolyse, en daaruit zijn duidelijk de verschillen in de verdere omzetting van stoffen tussen aeroben en anaeroben af te leiden.
Er zijn maar weinig biologische oxidatiestappen langs dit pad.
- Glycolyse, dat wil zeggen, de oxidatie van een glucosemolecuul tot pyruvaat.
- Gisting leidt tot ATP-regeneratie.
Vergisting kan van verschillende soorten zijn, afhankelijk van de betrokken organismen.
Melkzuurfermentatie
Uitgevoerd door melkzuurbacteriën en sommige schimmels. De bottom line is om PVC te herstellen tot melkzuur. Dit proces wordt in de industrie gebruikt om het volgende te verkrijgen:
- gefermenteerde melkproducten;
- gefermenteerde groenten en fruit;
- dierensilo's.
Dit type fermentatie is een van de meest gebruikte in menselijke behoeften.
Alcoholfermentatie
Bekend bij mensen sinds de oudheid. De essentie van het proces is de omzetting van PVC in twee moleculen ethanol en twee koolstofdioxide. Vanwege deze productopbrengst wordt dit type fermentatie gebruikt om:
- brood;
- wijn;
- bier;
- zoetwaren en meer.
Het wordt uitgevoerd door schimmels, gisten en micro-organismen van bacteriële aard.
Boterzuurgisting
Een nogal eng specifiek type fermentatie. Uitgevoerd door bacteriën van het geslacht Clostridium. Het komt erop neer dat pyruvaat wordt omgezet in boterzuur, dat voedsel een onaangename geur en ranzige smaak geeft.
Daarom worden biologische oxidatiereacties die dit pad volgen praktisch niet gebruikt in de industrie. Deze bacteriën zaaien echter zelf voedsel en veroorzaken schade, waardoor hun kwaliteit afneemt.
