Без енергия не може да съществува нито едно живо същество. В крайна сметка всяка химическа реакция, всеки процес изисква своето присъствие. Лесно е всеки да разбере и почувства това. Ако не ядете храна през целия ден, тогава до вечерта, а вероятно и по-рано, ще започнат симптоми на повишена умора, летаргия, силата ще намалее значително.
Как различните организми са се приспособили да получават енергия? Откъде идва и какви процеси протичат вътре в клетката? Нека се опитаме да разберем тази статия.
Получаване на енергия от организми
Както и да е начинът, по който съществата консумират енергия, ORR (окислително-редукционните реакции) винаги са в основата. Могат да се дадат различни примери. Уравнението на фотосинтезата, което се осъществява от зелени растения и някои бактерии, също е OVR. Естествено, процесите ще се различават в зависимост от това кое живо същество се има предвид.
И така, всички животни са хетеротрофи. Тоест такива организми, които не са в състояние самостоятелно да образуват готови органични съединения в себе си затяхното по-нататъшно разделяне и освобождаване на енергията на химическите връзки.
Растенията, напротив, са най-мощният производител на органична материя на нашата планета. Именно те извършват сложен и важен процес, наречен фотосинтеза, който се състои в образуването на глюкоза от вода, въглероден диоксид под действието на специално вещество - хлорофил. Страничният продукт е кислородът, който е източник на живот за всички аеробни живи същества.
Redox реакции, примери за които илюстрират този процес:
6CO2 + 6H2O=хлорофил=C6H 10O6 + 6O2;
или
въглероден диоксид + водороден оксид под влиянието на хлорофилния пигмент (реакционен ензим)=монозахарид + свободен молекулен кислород
Има и такива представители на биомасата на планетата, които са в състояние да използват енергията на химичните връзки на неорганичните съединения. Те се наричат хемотрофи. Те включват много видове бактерии. Например водородни микроорганизми, които окисляват молекулите на субстрата в почвата. Процесът протича по формулата:
История на развитието на познанието за биологичното окисление
Процесът, който е в основата на производството на енергия, е добре познат днес. Това е биологично окисление. Биохимията е проучила тънкостите и механизмите на всички етапи на действие толкова подробно, че почти не са останали загадки. Това обаче не бешевинаги.
Първото споменаване на най-сложните трансформации, случващи се в живите същества, които са химични реакции в природата, се появява около 18-ти век. Точно по това време Антоан Лавоазие, известният френски химик, насочва вниманието си към това колко сходни са биологичното окисляване и горенето. Той проследи приблизителния път на кислорода, погълнат по време на дишането, и стигна до заключението, че окислителни процеси протичат вътре в тялото, само по-бавно, отколкото отвън при изгарянето на различни вещества. Тоест окислителят - кислородните молекули - реагира с органични съединения и по-специално с водород и въглерод от тях и настъпва пълна трансформация, придружена от разлагане на съединенията.
Въпреки че това предположение по същество е съвсем реално, много неща останаха неразбираеми. Например:
- тъй като процесите са сходни, тогава условията за тяхното възникване трябва да са идентични, но окисляването настъпва при ниска телесна температура;
- действието не е придружено от освобождаване на огромно количество топлинна енергия и няма образуване на пламък;
- живите същества съдържат поне 75-80% вода, но това не пречи на "изгарянето" на хранителните вещества в тях.
Отне години, за да се отговори на всички тези въпроси и да се разбере какво всъщност е биологичното окисление.
Имаше различни теории, които предполагаха важността на присъствието на кислород и водород в процеса. Най-често срещаните и най-успешните бяха:
- Теорията на Бах, нареченапероксид;
- Теорията на Паладин, базирана на концепцията за "хромогени".
В бъдеще имаше много повече учени, както в Русия, така и в други страни по света, които постепенно правеха допълнения и промени по въпроса какво е биологично окисляване. Съвременната биохимия, благодарение на тяхната работа, може да разкаже за всяка реакция на този процес. Сред най-известните имена в тази област са следните:
- Мичъл;
- S. В. Северин;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Ленингер;
- B. П. Скулачев;
- Krebs;
- Greene;
- B. А. Енгелхард;
- Кайлин и други.
Видове биологично окисление
Има два основни типа на разглеждания процес, които протичат при различни условия. И така, най-разпространеният начин за преобразуване на храната, получена в много видове микроорганизми и гъби, е анаеробният. Това е биологично окисляване, което се извършва без достъп до кислород и без неговото участие под каквато и да е форма. Подобни условия се създават и там, където няма достъп до въздух: под земята, в гниещи субстрати, тиня, глини, блата и дори в космоса.
Този тип окисляване има друго име - гликолиза. Това е и един от етапите на по-сложен и трудоемък, но енергийно богат процес - аеробна трансформация или тъканно дишане. Това е вторият вид процес, който се разглежда. Среща се при всички аеробни живи същества-хетеротрофи, коитокислородът се използва за дишане.
Така че видовете биологично окисляване са както следва.
- Гликолиза, анаеробен път. Не изисква наличието на кислород и води до различни форми на ферментация.
- Тъканно дишане (окислително фосфорилиране) или аеробен изглед. Изисква наличието на молекулен кислород.
Участници в процеса
Нека да преминем към разглеждането на самите характеристики, които биологичното окисление съдържа. Нека дефинираме основните съединения и техните съкращения, които ще използваме в бъдеще.
- Ацетилкоензим-А (ацетил-КоА) е кондензат от оксалова и оцетна киселина с коензим, образуван на първия етап от цикъла на трикарбоксилната киселина.
- Цикълът на Кребс (цикъл на лимонена киселина, трикарбоксилни киселини) е серия от сложни последователни редокс трансформации, придружени от освобождаване на енергия, редукция на водород и образуване на важни продукти с ниско молекулно тегло. Това е основната връзка в ката- и анаболизма.
- NAD и NADH - ензим дехидрогеназа, означава никотинамид аденин динуклеотид. Втората формула е молекула с прикрепен водород. NADP - никотинамид аденин динуклеотид фосфат.
- FAD и FADN − флавин аденин динуклеотид - коензим на дехидрогеназите.
- ATP - аденозин трифосфорна киселина.
- PVC - пирогроздена киселина или пируват.
- Сукцинат или янтарна киселина, H3PO4− фосфорна киселина.
- GTP − гуанозин трифосфат, клас пуринови нуклеотиди.
- ETC - верига за транспортиране на електрони.
- Ензими на процеса: пероксидази, оксигенази, цитохром оксидази, флавин дехидрогенази, различни коензими и други съединения.
Всички тези съединения са преки участници в процеса на окисление, който протича в тъканите (клетките) на живите организми.
Етапи на биологично окисление: таблица
| Етап | Процеси и значение |
| Гликолиза | Същността на процеса се крие в безкислородното разделяне на монозахаридите, което предхожда процеса на клетъчно дишане и е придружено от изходна енергия, равна на две молекули АТФ. Образува се и пируват. Това е началният етап за всеки жив организъм на хетеротроф. Значение при образуването на PVC, който навлиза в кристите на митохондриите и е субстрат за тъканно окисление от кислород. При анаеробите след гликолиза започват различни видове ферментационни процеси. |
| Окисление на пируват | Този процес се състои в превръщането на PVC, образуван по време на гликолизата, в ацетил-КоА. Извършва се с помощта на специализиран ензимен комплекс пируват дехидрогеназа. Резултатът е цетил-КоА молекули, които влизат в цикъла на Кребс. В същия процес NAD се редуцира до NADH. Място на локализация - кристи на митохондриите. |
| Разграждането на бета мастните киселини | Този процес се извършва успоредно с предишниямитохондриални кристи. Същността му е да преработи всички мастни киселини в ацетил-КоА и да ги постави в цикъла на трикарбоксилната киселина. Това също така възстановява NADH. |
| цикъл на Кребс |
Започва с превръщането на ацетил-КоА в лимонена киселина, която претърпява допълнителни трансформации. Един от най-важните етапи, който включва биологично окисление. Тази киселина е изложена на:
Всеки процес се извършва няколко пъти. Резултат: GTP, въглероден диоксид, редуцирана форма на NADH и FADH2. В същото време ензимите за биологично окисление са свободно разположени в матрицата на митохондриалните частици. |
| Окислително фосфорилиране | Това е последната стъпка в преобразуването на съединенията в еукариотните организми. В този случай аденозин дифосфатът се превръща в АТФ. Необходимата енергия за това се взема от окисляването на онези NADH и FADH2 молекули, които са били образувани в предишните етапи. Чрез последователни преходи по ETC и намаляване на потенциалите, енергията се заключава в макроергичните връзки на АТФ. |
Това са всички процеси, които съпътстват биологичното окисление с участието на кислород. Естествено, те не са напълно описани, а само по същество, тъй като за подробно описание е необходима цяла глава от книгата. Всички биохимични процеси в живите организми са изключително многостранни и сложни.
окислително-редукционни реакции на процеса
Реакции на редокс, примери за които могат да илюстрират процесите на окисление на субстрата, описани по-горе, са както следва.
- Гликолиза: монозахарид (глюкоза) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Окисление на пируват: PVC + ензим=въглероден диоксид + ацеталдехид. След това следващата стъпка: ацеталдехид + коензим А=ацетил-КоА.
- Много последователни трансформации на лимонена киселина в цикъла на Кребс.
Тези редокс реакции, примери за които са дадени по-горе, отразяват същността на протичащите процеси само в общи линии. Известно е, че въпросните съединения са или с високо молекулно тегло, или имат голям въглероден скелет, така че просто не е възможно да се представи всичко с пълни формули.
Енергиен изход от тъканното дишане
От горните описания е очевидно, че не е трудно да се изчисли общият енергиен добив от цялото окисляване.
- Гликолизата произвежда две молекули АТФ.
- Окисление на пируват 12 ATP молекули.
- 22 молекули на цикъл на лимонена киселина.
В крайна сметка: пълното биологично окисление по аеробния път дава енергия, равна на 36 АТФ молекули. Значението на биологичното окисляване е очевидно. Именно тази енергия се използва от живите организми за живот и функциониране, както и за затопляне на телата им, движение и други необходими неща.
Анаеробно окисление на субстрата
Вторият тип биологично окисление е анаеробно. Тоест такъв, който се извършва от всички, но на който спират микроорганизмите от определени видове. Това е гликолиза и от нея ясно се проследяват разликите в по-нататъшното преобразуване на веществата между аероби и анаероби.
Има няколко стъпки на биологично окисление по този път.
- Гликолиза, тоест окисляване на глюкозна молекула до пируват.
- Ферментация, водеща до регенерация на АТФ.
Ферментацията може да бъде от различни видове, в зависимост от участващите организми.
млечнокисела ферментация
Извършва се от млечнокисели бактерии и някои гъбички. Основното е да се възстанови PVC до млечна киселина. Този процес се използва в индустрията за получаване на:
- ферментирали млечни продукти;
- ферментирали зеленчуци и плодове;
- силози за животни.
Този вид ферментация е един от най-използваните в човешките нужди.
Алкохолна ферментация
Познат на хората от древността. Същността на процеса е превръщането на PVC в две молекули етанол и два въглероден диоксид. Поради този добив на продукт, този вид ферментация се използва за получаване на:
- хляб;
- вино;
- бира;
- сладкарски изделия и още.
Извършва се от гъбички, дрожди и микроорганизми с бактериална природа.
Бутирна ферментация
Доста тясно специфичен вид ферментация. Осъществява се от бактерии от рода Clostridium. Изводът е превръщането на пирувата в маслена киселина, която придава на храната неприятна миризма и гранясав вкус.
Следователно реакциите на биологично окисление, следващи този път, практически не се използват в индустрията. Тези бактерии обаче сеят храна сами и причиняват вреда, понижавайки качеството им.
