Pengoksidaan biologi. Tindak balas redoks: contoh

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-15 17:28

Tanpa tenaga, tiada satu makhluk pun boleh wujud. Lagipun, setiap tindak balas kimia, setiap proses memerlukan kehadirannya. Mudah bagi sesiapa sahaja untuk memahami dan merasai ini. Jika anda tidak makan makanan sepanjang hari, kemudian pada waktu petang, dan mungkin lebih awal, gejala peningkatan keletihan, kelesuan akan bermula, kekuatan akan berkurangan dengan ketara.

Bagaimanakah organisma yang berbeza menyesuaikan diri untuk mendapatkan tenaga? Dari mana datangnya dan apakah proses yang berlaku di dalam sel? Mari cuba fahami artikel ini.

Mendapatkan tenaga oleh organisma

Apa jua cara makhluk menggunakan tenaga, ORR (tindak balas pengurangan pengoksidaan) sentiasa menjadi asas. Pelbagai contoh boleh diberikan. Persamaan fotosintesis, yang dijalankan oleh tumbuhan hijau dan beberapa bakteria, juga adalah OVR. Sememangnya, proses akan berbeza bergantung pada makhluk hidup yang dimaksudkan.

Jadi, semua haiwan adalah heterotrof. Iaitu, organisma sedemikian yang tidak dapat secara bebas membentuk sebatian organik siap pakai dalam diri mereka untukpemisahan dan pembebasan tenaga ikatan kimia selanjutnya.

Tumbuhan, sebaliknya, adalah pengeluar bahan organik yang paling berkuasa di planet kita. Ia adalah mereka yang menjalankan proses yang kompleks dan penting yang dipanggil fotosintesis, yang terdiri daripada pembentukan glukosa daripada air, karbon dioksida di bawah tindakan bahan khas - klorofil. Hasil sampingan ialah oksigen, yang merupakan sumber kehidupan bagi semua hidupan aerobik.

Tindak balas redoks, contoh yang menggambarkan proses ini:

6CO₂ + 6H₂O=klorofil=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

atau

karbon dioksida + hidrogen oksida di bawah pengaruh pigmen klorofil (enzim tindak balas)=monosakarida + oksigen molekul bebas

Terdapat juga wakil biojisim planet ini yang mampu menggunakan tenaga ikatan kimia sebatian tak organik. Mereka dipanggil chemotrophs. Ini termasuk banyak jenis bakteria. Contohnya, mikroorganisma hidrogen yang mengoksidakan molekul substrat dalam tanah. Proses ini berlaku mengikut formula:

Sejarah perkembangan pengetahuan pengoksidaan biologi

Proses yang mendasari penghasilan tenaga terkenal hari ini. Ini adalah pengoksidaan biologi. Biokimia telah mengkaji kehalusan dan mekanisme semua peringkat tindakan dengan begitu terperinci sehingga hampir tiada misteri lagi. Walau bagaimanapun, ini tidaksentiasa.

Sebutan pertama tentang transformasi paling kompleks yang berlaku dalam hidupan, yang merupakan tindak balas kimia dalam alam semula jadi, muncul sekitar abad ke-18. Pada masa inilah Antoine Lavoisier, ahli kimia Perancis yang terkenal, mengalihkan perhatiannya kepada betapa serupanya pengoksidaan dan pembakaran biologi. Dia mengesan laluan anggaran oksigen yang diserap semasa bernafas dan membuat kesimpulan bahawa proses pengoksidaan berlaku di dalam badan, hanya lebih perlahan daripada di luar semasa pembakaran pelbagai bahan. Iaitu, agen pengoksidaan - molekul oksigen - bertindak balas dengan sebatian organik, dan khususnya, dengan hidrogen dan karbon daripadanya, dan transformasi lengkap berlaku, disertai dengan penguraian sebatian.

Namun, walaupun andaian ini pada asasnya agak nyata, banyak perkara masih tidak dapat difahami. Contohnya:

memandangkan proses adalah serupa, maka keadaan untuk kejadiannya hendaklah sama, tetapi pengoksidaan berlaku pada suhu badan yang rendah;
tindakan itu tidak disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga haba dan tiada pembentukan nyalaan;
makhluk hidup mengandungi sekurang-kurangnya 75-80% air, tetapi ini tidak menghalang "pembakaran" nutrien di dalamnya.

Ia mengambil masa bertahun-tahun untuk menjawab semua soalan ini dan memahami apa sebenarnya pengoksidaan biologi.

Terdapat teori berbeza yang membayangkan kepentingan kehadiran oksigen dan hidrogen dalam proses itu. Yang paling biasa dan paling berjaya ialah:

Teori Bach, dipanggilperoksida;
Teori Palladin, berdasarkan konsep "chromogens".

Pada masa hadapan, terdapat lebih ramai saintis, baik di Rusia dan negara lain di dunia, yang secara beransur-ansur membuat penambahan dan perubahan kepada persoalan tentang pengoksidaan biologi. Biokimia moden, terima kasih kepada kerja mereka, boleh memberitahu tentang setiap tindak balas proses ini. Antara nama yang paling terkenal di kawasan ini ialah yang berikut:

Mitchell;
S. V. Severin;
Warburg;
B. A. Belitzer;
Leninger;
B. P. Skulachev;
Krebs;
Hijau;
B. A. Engelhardt;
Kailin dan lain-lain.

Jenis pengoksidaan biologi

Terdapat dua jenis utama proses yang sedang dipertimbangkan, yang berlaku dalam keadaan berbeza. Jadi, cara paling biasa untuk menukar makanan yang diterima dalam banyak spesies mikroorganisma dan kulat adalah anaerobik. Ini adalah pengoksidaan biologi, yang dijalankan tanpa akses kepada oksigen dan tanpa penyertaannya dalam sebarang bentuk. Keadaan yang sama dibuat apabila tiada akses kepada udara: bawah tanah, dalam substrat yang reput, kelodak, tanah liat, paya dan juga di angkasa.

Jenis pengoksidaan ini mempunyai nama lain - glikolisis. Ia juga merupakan salah satu peringkat proses yang lebih kompleks dan susah payah, tetapi kaya dengan tenaga - transformasi aerobik atau pernafasan tisu. Ini adalah jenis proses kedua yang sedang dipertimbangkan. Ia berlaku dalam semua makhluk hidup aerobik-heterotrophs, yangoksigen digunakan untuk bernafas.

Jadi jenis pengoksidaan biologi adalah seperti berikut.

Glikolisis, laluan anaerobik. Tidak memerlukan kehadiran oksigen dan menghasilkan pelbagai bentuk penapaian.
Respirasi tisu (fosforilasi oksidatif), atau pandangan aerobik. Memerlukan kehadiran oksigen molekul.

Peserta dalam proses

Mari kita beralih kepada pertimbangan ciri-ciri yang terkandung dalam pengoksidaan biologi. Mari kita tentukan sebatian utama dan singkatannya, yang akan kita gunakan pada masa hadapan.

Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) ialah kondensat asid oksalik dan asetik dengan koenzim, terbentuk pada peringkat pertama kitaran asid trikarboksilik.
Kitaran Krebs (kitaran asid sitrik, asid trikarboksilik) ialah satu siri transformasi redoks berurutan yang kompleks disertai dengan pembebasan tenaga, pengurangan hidrogen dan pembentukan produk berat molekul rendah yang penting. Ia adalah pautan utama dalam cata- dan anabolisme.
NAD dan NADH - enzim dehidrogenase, singkatan kepada nicotinamide adenine dinucleotide. Formula kedua ialah molekul dengan hidrogen yang melekat. NADP - nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.
FAD dan FADN − flavin adenine dinucleotide - koenzim dehidrogenase.
ATP - asid trifosforik adenosin.
PVC - asid piruvat atau piruvat.
Suksinat atau asid suksinik, H₃PO₄− asid fosforik.
GTP − guanosin trifosfat, kelas nukleotida purin.
ETC - rantai pengangkutan elektron.
Enzim proses: peroksidase, oksigenase, cytochrome oxidases, flavin dehydrogenases, pelbagai koenzim dan sebatian lain.

Semua sebatian ini adalah peserta langsung dalam proses pengoksidaan yang berlaku dalam tisu (sel) organisma hidup.

Peringkat pengoksidaan biologi: jadual

Pentas	Proses dan Maksud
Glikolisis	Intipati proses terletak pada pemisahan bebas oksigen monosakarida, yang mendahului proses respirasi selular dan disertai dengan keluaran tenaga bersamaan dengan dua molekul ATP. Piruvat juga terbentuk. Ini adalah peringkat awal bagi mana-mana organisma hidup heterotrof. Kepentingan dalam pembentukan PVC, yang memasuki krista mitokondria dan merupakan substrat untuk pengoksidaan tisu oleh oksigen. Dalam anaerobes, selepas glikolisis, proses penapaian pelbagai jenis bermula.
Pengoksidaan piruvat	Proses ini terdiri daripada penukaran PVC yang terbentuk semasa glikolisis kepada asetil-KoA. Ia dijalankan menggunakan enzim kompleks piruvat dehidrogenase khusus. Hasilnya ialah molekul cetyl-CoA yang memasuki kitaran Krebs. Dalam proses yang sama, NAD dikurangkan kepada NADH. Tempat penyetempatan - krista mitokondria.
Pemecahan asid lemak beta	Proses ini dijalankan selari dengan yang sebelumnya padakrista mitokondria. Intipatinya adalah untuk memproses semua asid lemak menjadi asetil-KoA dan memasukkannya ke dalam kitaran asid trikarboksilik. Ini juga memulihkan NADH.
Kitaran Krebs	Bermula dengan penukaran asetil-KoA kepada asid sitrik, yang mengalami transformasi selanjutnya. Salah satu peringkat terpenting yang merangkumi pengoksidaan biologi. Asid ini terdedah kepada: penyahhidrogenan; dekarboksilasi; penjanaan semula. Setiap proses dilakukan beberapa kali. Keputusan: GTP, karbon dioksida, bentuk terkurang NADH dan FADH₂. Pada masa yang sama, enzim pengoksidaan biologi terletak bebas dalam matriks zarah mitokondria.
Fosforilasi oksidatif	Ini adalah langkah terakhir dalam penukaran sebatian dalam organisma eukariotik. Dalam kes ini, adenosin difosfat ditukar kepada ATP. Tenaga yang diperlukan untuk ini diambil daripada pengoksidaan molekul NADH dan FADH₂ yang telah terbentuk pada peringkat sebelumnya. Melalui peralihan berturut-turut di sepanjang ETC dan penurunan potensi, tenaga disimpulkan dalam ikatan makroergik ATP.

Ini semua adalah proses yang mengiringi pengoksidaan biologi dengan penyertaan oksigen. Sememangnya, mereka tidak diterangkan sepenuhnya, tetapi hanya pada dasarnya, kerana keseluruhan bab buku itu diperlukan untuk penerangan terperinci. Semua proses biokimia organisma hidup sangat pelbagai dan kompleks.

pengoksidaan biologi dipenyertaan oksigen

Tindak balas redoks proses

Tindak balas redoks, contoh yang boleh menggambarkan proses pengoksidaan substrat yang diterangkan di atas, adalah seperti berikut.

Glikolisis: monosakarida (glukosa) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
Pengoksidaan piruvat: PVC + enzim=karbon dioksida + asetaldehid. Kemudian langkah seterusnya: asetaldehid + Koenzim A=asetil-KoA.
Banyak transformasi berturut-turut asid sitrik dalam kitaran Krebs.

Tindak balas redoks ini, contoh yang diberikan di atas, mencerminkan intipati proses yang sedang berjalan hanya dalam istilah umum. Adalah diketahui bahawa sebatian yang dimaksudkan adalah sama ada berat molekul tinggi atau mempunyai rangka karbon yang besar, jadi tidak mungkin untuk mewakili segala-galanya dengan formula penuh.

Keluaran tenaga pernafasan tisu

Daripada huraian di atas, adalah jelas bahawa tidak sukar untuk mengira jumlah hasil tenaga keseluruhan pengoksidaan.

Glikolisis menghasilkan dua molekul ATP.
Pengoksidaan piruvat 12 molekul ATP.
22 molekul setiap kitaran asid sitrik.

Intinya: pengoksidaan biologi lengkap melalui laluan aerobik memberikan output tenaga bersamaan dengan 36 molekul ATP. Kepentingan pengoksidaan biologi adalah jelas. Tenaga inilah yang digunakan oleh organisma hidup untuk hidup dan berfungsi, serta untuk memanaskan badan, pergerakan dan perkara lain yang diperlukan.

Pengoksidaan anaerobik substrat

Jenis pengoksidaan biologi kedua ialah anaerobik. Iaitu, yang dijalankan oleh semua orang, tetapi di mana mikroorganisma spesies tertentu berhenti. Ini adalah glikolisis, dan dari situlah perbezaan dalam transformasi selanjutnya bahan antara aerob dan anaerobes dikesan dengan jelas.

Terdapat beberapa langkah pengoksidaan biologi di sepanjang laluan ini.

Glikolisis, iaitu pengoksidaan molekul glukosa kepada piruvat.
Pepenapaian yang membawa kepada penjanaan semula ATP.

Penapaian boleh terdiri daripada pelbagai jenis, bergantung pada organisma yang terlibat.

penapaian asid laktik

Dijalankan oleh bakteria asid laktik dan beberapa kulat. Intinya adalah untuk memulihkan PVC kepada asid laktik. Proses ini digunakan dalam industri untuk mendapatkan:

produk susu yang ditapai;
sayuran dan buah-buahan yang ditapai;
silo haiwan.

Penapaian jenis ini adalah salah satu yang paling banyak digunakan dalam keperluan manusia.

penapaian alkohol

Dikenali oleh orang sejak zaman dahulu. Intipati proses adalah penukaran PVC kepada dua molekul etanol dan dua karbon dioksida. Disebabkan hasil produk ini, jenis penapaian ini digunakan untuk mendapatkan:

roti;
wain;
bir;
konfeksi dan banyak lagi.

Ia dijalankan oleh kulat, yis dan mikroorganisma yang bersifat bakteria.

penapaian butirik

Jenis penapaian yang agak sempit. Dijalankan oleh bakteria genus Clostridium. Intinya ialah penukaran piruvat kepada asid butirik, yang memberikan makanan bau yang tidak menyenangkan dan rasa tengik.

Oleh itu, tindak balas pengoksidaan biologi mengikut laluan ini boleh dikatakan tidak digunakan dalam industri. Walau bagaimanapun, bakteria ini menyemai makanan sendiri dan menyebabkan kemudaratan, mengurangkan kualitinya.