Kung walang enerhiya, hindi maaaring umiral ang isang buhay na nilalang. Pagkatapos ng lahat, bawat kemikal na reaksyon, bawat proseso ay nangangailangan ng presensya nito. Madali para sa sinuman na maunawaan at maramdaman ito. Kung hindi ka kumain ng pagkain sa buong araw, pagkatapos ay sa gabi, at posibleng mas maaga pa, ang mga sintomas ng pagtaas ng pagkapagod, pag-aantok ay magsisimula, ang lakas ay bababa nang malaki.
Paano naka-adapt ang iba't ibang organismo upang makakuha ng enerhiya? Saan ito nagmula at anong mga proseso ang nagaganap sa loob ng cell? Subukan nating unawain ang artikulong ito.
Pagkuha ng enerhiya ng mga organismo
Anuman ang paraan ng pagkonsumo ng enerhiya ng mga nilalang, ang ORR (oxidation-reduction reactions) ang palaging batayan. Iba't ibang halimbawa ang maaaring ibigay. Ang equation ng photosynthesis, na isinasagawa ng mga berdeng halaman at ilang bakterya, ay OVR din. Natural, ang mga proseso ay mag-iiba depende sa kung aling nilalang ang ibig sabihin.
Kaya, lahat ng hayop ay heterotroph. Iyon ay, ang mga naturang organismo na hindi nakapag-iisa na bumuo ng mga yari na organic compound sa loob ng kanilang sarili para saang kanilang karagdagang paghahati at pagpapakawala ng enerhiya ng mga kemikal na bono.
Ang mga halaman, sa kabaligtaran, ang pinakamakapangyarihang gumagawa ng organikong bagay sa ating planeta. Sila ang nagsasagawa ng isang kumplikado at mahalagang proseso na tinatawag na photosynthesis, na binubuo sa pagbuo ng glucose mula sa tubig, carbon dioxide sa ilalim ng pagkilos ng isang espesyal na sangkap - chlorophyll. Ang by-product ay oxygen, na siyang pinagmumulan ng buhay para sa lahat ng aerobic na buhay na bagay.
Mga reaksiyong redox, mga halimbawa nito na naglalarawan ng prosesong ito:
6CO2 + 6H2O=chlorophyll=C6H 10O6 + 6O2;
o
carbon dioxide + hydrogen oxide sa ilalim ng impluwensya ng chlorophyll pigment (reaction enzyme)=monosaccharide + libreng molecular oxygen
Mayroon ding mga tulad na kinatawan ng biomass ng planeta na nagagamit ang enerhiya ng mga chemical bond ng mga inorganic compound. Sila ay tinatawag na chemotrophs. Kabilang dito ang maraming uri ng bacteria. Halimbawa, ang mga hydrogen microorganism na nag-oxidize ng mga molekula ng substrate sa lupa. Ang proseso ay nagaganap ayon sa pormula:
Kasaysayan ng pag-unlad ng kaalaman sa biological oxidation
Ang prosesong pinagbabatayan ng paggawa ng enerhiya ay kilala na ngayon. Ito ay biological oxidation. Pinag-aralan ng biochemistry ang mga subtlety at mekanismo ng lahat ng mga yugto ng pagkilos sa ganoong detalye na halos wala nang natitirang misteryo. Gayunpaman, hindi ito nangyaripalagi.
Ang unang pagbanggit ng mga pinakakomplikadong pagbabagong nagaganap sa loob ng mga buhay na nilalang, na mga kemikal na reaksyon sa kalikasan, ay lumitaw noong ika-18 siglo. Ito ay sa oras na ito na Antoine Lavoisier, ang sikat na French chemist, ibinaling ang kanyang pansin sa kung paano magkatulad ang biological oxidation at combustion. Sinusubaybayan niya ang tinatayang landas ng oxygen na hinihigop sa panahon ng paghinga at dumating sa konklusyon na ang mga proseso ng oksihenasyon ay nangyayari sa loob ng katawan, mas mabagal lamang kaysa sa labas sa panahon ng pagkasunog ng iba't ibang mga sangkap. Iyon ay, ang oxidizing agent - mga molekula ng oxygen - ay tumutugon sa mga organikong compound, at partikular, sa hydrogen at carbon mula sa kanila, at isang kumpletong pagbabagong-anyo ang nangyayari, na sinamahan ng agnas ng mga compound.
Gayunpaman, bagama't ang palagay na ito ay sa esensya ay totoo, maraming bagay ang nanatiling hindi maunawaan. Halimbawa:
- dahil magkapareho ang mga proseso, dapat magkapareho ang mga kundisyon para sa kanilang paglitaw, ngunit nangyayari ang oksihenasyon sa mababang temperatura ng katawan;
- ang pagkilos ay hindi sinasamahan ng pagpapakawala ng malaking halaga ng thermal energy at walang flame formation;
- may buhay na nilalang ay naglalaman ng hindi bababa sa 75-80% na tubig, ngunit hindi nito pinipigilan ang "pagkasunog" ng mga sustansya sa kanila.
Inabot ng maraming taon bago masagot ang lahat ng tanong na ito at maunawaan kung ano talaga ang biological oxidation.
May iba't ibang teorya na nagpapahiwatig ng kahalagahan ng pagkakaroon ng oxygen at hydrogen sa proseso. Ang pinakakaraniwan at pinakamatagumpay ay:
- Teorya ni Bach, tinatawagperoxide;
- teorya ni Palladin, batay sa konsepto ng "chromogens".
Sa hinaharap, marami pang mga siyentipiko, kapwa sa Russia at iba pang mga bansa sa mundo, na unti-unting gumawa ng mga karagdagan at pagbabago sa tanong kung ano ang biological oxidation. Ang modernong biochemistry, salamat sa kanilang trabaho, ay maaaring sabihin ang tungkol sa bawat reaksyon ng prosesong ito. Kabilang sa mga pinakatanyag na pangalan sa lugar na ito ay ang mga sumusunod:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin at iba pa.
Mga uri ng biological oxidation
Mayroong dalawang pangunahing uri ng prosesong isinasaalang-alang, na nangyayari sa ilalim ng magkaibang kundisyon. Kaya, ang pinakakaraniwang paraan ng pag-convert ng pagkain na natanggap sa maraming mga species ng microorganism at fungi ay anaerobic. Ito ay biological oxidation, na isinasagawa nang walang access sa oxygen at walang pakikilahok nito sa anumang anyo. Nagagawa ang mga katulad na kundisyon kung saan walang access sa hangin: sa ilalim ng lupa, sa mga nabubulok na substrate, silt, clay, swamp, at maging sa kalawakan.
Ang ganitong uri ng oksihenasyon ay may ibang pangalan - glycolysis. Ito rin ay isa sa mga yugto ng isang mas kumplikado at matrabaho, ngunit masiglang mayaman na proseso - aerobic transformation o tissue respiration. Ito ang pangalawang uri ng prosesong isinasaalang-alang. Ito ay nangyayari sa lahat ng aerobic na buhay na nilalang-heterotrophs, naginagamit ang oxygen sa paghinga.
Kaya ang mga uri ng biological oxidation ay ang mga sumusunod.
- Glycolysis, anaerobic pathway. Hindi nangangailangan ng pagkakaroon ng oxygen at nagreresulta sa iba't ibang anyo ng pagbuburo.
- Paghinga ng tissue (oxidative phosphorylation), o aerobic view. Nangangailangan ng pagkakaroon ng molecular oxygen.
Mga kalahok sa proseso
Let's move on to the consideration of the very features that biological oxidation contains. Tukuyin natin ang mga pangunahing compound at ang mga pagdadaglat nito, na gagamitin natin sa hinaharap.
Ang
Lahat ng mga compound na ito ay direktang kalahok sa proseso ng oksihenasyon na nangyayari sa mga tisyu (mga selula) ng mga buhay na organismo.
Mga yugto ng biological oxidation: talahanayan
| Yugto | Mga Proseso at Kahulugan |
| Glycolysis | Ang esensya ng proseso ay nakasalalay sa walang oxygen na paghahati ng mga monosaccharides, na nauuna sa proseso ng cellular respiration at sinamahan ng output ng enerhiya na katumbas ng dalawang ATP molecule. Nabubuo din ang Pyruvate. Ito ang unang yugto para sa anumang buhay na organismo ng isang heterotroph. Kahalagahan sa pagbuo ng PVC, na pumapasok sa cristae ng mitochondria at isang substrate para sa oksihenasyon ng tissue sa pamamagitan ng oxygen. Sa anaerobes, pagkatapos ng glycolysis, magsisimula ang mga proseso ng fermentation ng iba't ibang uri. |
| Pyruvate oxidation | Ang prosesong ito ay binubuo sa conversion ng PVC na nabuo sa panahon ng glycolysis sa acetyl-CoA. Isinasagawa ito gamit ang isang espesyal na enzyme complex pyruvate dehydrogenase. Ang resulta ay cetyl-CoA molecules na pumapasok sa Krebs cycle. Sa parehong proseso, ang NAD ay nabawasan sa NADH. Lugar ng lokalisasyon - cristae ng mitochondria. |
| Ang pagkasira ng mga beta fatty acid | Isinasagawa ang prosesong ito kasabay ng nauna samitochondrial cristae. Ang kakanyahan nito ay upang iproseso ang lahat ng mga fatty acid sa acetyl-CoA at ilagay ito sa tricarboxylic acid cycle. Ibinabalik din nito ang NADH. |
| Krebs cycle |
Nagsisimula sa conversion ng acetyl-CoA sa citric acid, na sumasailalim sa mga karagdagang pagbabago. Isa sa pinakamahalagang yugto na kinabibilangan ng biological oxidation. Ang acid na ito ay nakalantad sa:
Ang bawat proseso ay ginagawa nang maraming beses. Resulta: GTP, carbon dioxide, pinababang anyo ng NADH at FADH2. Kasabay nito, ang mga biological oxidation enzymes ay malayang matatagpuan sa matrix ng mitochondrial particle. |
| Oxidative phosphorylation | Ito ang huling hakbang sa conversion ng mga compound sa mga eukaryotic organism. Sa kasong ito, ang adenosine diphosphate ay na-convert sa ATP. Ang enerhiya na kailangan para dito ay kinuha mula sa oksihenasyon ng NADH at FADH2 molecule na nabuo sa mga nakaraang yugto. Sa pamamagitan ng sunud-sunod na paglipat sa kahabaan ng ETC at pagbaba ng mga potensyal, ang enerhiya ay natatapos sa macroergic bond ng ATP. |
Ito ang lahat ng mga prosesong kasama ng biological oxidation na may partisipasyon ng oxygen. Naturally, hindi sila ganap na inilarawan, ngunit sa kakanyahan lamang, dahil ang isang buong kabanata ng libro ay kinakailangan para sa isang detalyadong paglalarawan. Ang lahat ng biochemical na proseso ng mga buhay na organismo ay sobrang multifaceted at kumplikado.
Redox na reaksyon ng proseso
Redox reactions, ang mga halimbawa nito ay maaaring maglarawan ng mga proseso ng substrate oxidation na inilarawan sa itaas, ay ang mga sumusunod.
- Glycolysis: monosaccharide (glucose) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Pyruvate oxidation: PVC + enzyme=carbon dioxide + acetaldehyde. Pagkatapos ang susunod na hakbang: acetaldehyde + Coenzyme A=acetyl-CoA.
- Maraming sunud-sunod na pagbabago ng citric acid sa Krebs cycle.
Ang mga reaksyong redox na ito, ang mga halimbawa nito ay ibinigay sa itaas, ay sumasalamin sa kakanyahan ng mga kasalukuyang proseso lamang sa pangkalahatang mga termino. Alam na ang mga pinag-uusapang compound ay alinman sa mataas na molecular weight o may malaking carbon skeleton, kaya hindi lang posible na katawanin ang lahat ng may buong formula.
Energy output ng tissue respiration
Mula sa mga paglalarawan sa itaas, malinaw na hindi mahirap kalkulahin ang kabuuang ani ng enerhiya ng buong oksihenasyon.
- Glycolysis ay gumagawa ng dalawang ATP molecule.
- Pyruvate oxidation 12 ATP molecules.
- 22 molekula bawat siklo ng citric acid.
Bottom line: ang kumpletong biological oxidation sa pamamagitan ng aerobic pathway ay nagbibigay ng energy output na katumbas ng 36 ATP molecules. Ang kahalagahan ng biological oxidation ay halata. Ang enerhiyang ito ang ginagamit ng mga buhay na organismo para sa buhay at paggana, gayundin sa pagpapainit ng kanilang mga katawan, paggalaw at iba pang kinakailangang bagay.
Anaerobic oxidation ng substrate
Ang pangalawang uri ng biological oxidation ay anaerobic. Iyon ay, isa na isinasagawa ng lahat, ngunit kung saan huminto ang mga mikroorganismo ng ilang mga species. Ito ay glycolysis, at mula rito malinaw na natunton ang mga pagkakaiba sa karagdagang pagbabago ng mga sangkap sa pagitan ng aerobes at anaerobes.
Mayroong ilang biological oxidation steps sa pathway na ito.
- Glycolysis, ibig sabihin, ang oksihenasyon ng isang molekula ng glucose sa pyruvate.
- Fermentation na humahantong sa muling pagbuo ng ATP.
Ang fermentation ay maaaring may iba't ibang uri, depende sa mga organismong kasangkot.
Lactic acid fermentation
Isinasagawa ng lactic acid bacteria at ilang fungi. Ang ilalim na linya ay upang ibalik ang PVC sa lactic acid. Ginagamit ang prosesong ito sa industriya upang makakuha ng:
- fermented milk products;
- fermented na gulay at prutas;
- silos ng hayop.
Ang ganitong uri ng fermentation ay isa sa pinaka ginagamit sa mga pangangailangan ng tao.
Pagbuburo ng alak
Kilala ng mga tao mula pa noong unang panahon. Ang kakanyahan ng proseso ay ang conversion ng PVC sa dalawang molekula ng ethanol at dalawang carbon dioxide. Dahil sa ani ng produktong ito, ang ganitong uri ng fermentation ay ginagamit upang makakuha ng:
- tinapay;
- alak;
- beer;
- confectionery at higit pa.
Ito ay isinasagawa ng fungi, yeast at microorganisms na may bacterial nature.
Butyric fermentation
Isang medyo partikular na uri ng fermentation. Isinasagawa ng bacteria ng genus Clostridium. Ang pangunahing punto ay ang conversion ng pyruvate sa butyric acid, na nagbibigay sa pagkain ng hindi kanais-nais na amoy at mabangong lasa.
Samakatuwid, ang mga reaksyon ng biological oxidation na sumusunod sa landas na ito ay halos hindi ginagamit sa industriya. Gayunpaman, ang mga bacteria na ito ay naghahasik ng pagkain nang mag-isa at nagdudulot ng pinsala, na nagpapababa ng kalidad nito.
