اکسیداسیون بیولوژیکی. واکنش های ردوکس: مثال ها

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-15 17:23

بدون انرژی، حتی یک موجود زنده نمی تواند وجود داشته باشد. به هر حال، هر واکنش شیمیایی، هر فرآیندی نیاز به حضور آن دارد. درک و احساس این موضوع برای هر کسی آسان است. اگر در تمام روز غذا نخورید، تا عصر، و احتمالاً حتی زودتر، علائم افزایش خستگی، بی حالی شروع می شود، قدرت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

چگونه موجودات مختلف برای به دست آوردن انرژی سازگار شده اند؟ از کجا می آید و چه فرآیندهایی در داخل سلول اتفاق می افتد؟ بیایید سعی کنیم این مقاله را درک کنیم.

دریافت انرژی توسط موجودات

به هر طریقی که موجودات انرژی مصرف می کنند، ORR (واکنش های کاهش اکسیداسیون) همیشه پایه است. می توان مثال های مختلفی زد. معادله فتوسنتز که توسط گیاهان سبز و برخی باکتری ها انجام می شود نیز OVR است. به طور طبیعی، بسته به اینکه منظور کدام موجود زنده است، فرآیندها متفاوت خواهد بود.

بنابراین، همه حیوانات هتروتروف هستند. یعنی موجوداتی که به طور مستقل قادر به تشکیل ترکیبات آلی آماده در درون خود نیستندشکافتن بیشتر آنها و آزاد شدن انرژی پیوندهای شیمیایی.

برعکس

گیاهان قدرتمندترین تولیدکننده مواد آلی در سیاره ما هستند. آنها هستند که فرآیند پیچیده و مهمی به نام فتوسنتز را انجام می دهند که شامل تشکیل گلوکز از آب ، دی اکسید کربن تحت تأثیر ماده خاصی - کلروفیل است. محصول جانبی اکسیژن است که منبع حیات برای همه موجودات زنده هوازی است.

واکنش‌های ردوکس، نمونه‌هایی از آن‌ها این فرآیند را نشان می‌دهند:

6CO₂ + 6H₂O=کلروفیل=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

یا

دی اکسید کربن + اکسید هیدروژن تحت تأثیر رنگدانه کلروفیل (آنزیم واکنش)=مونوساکارید + اکسیژن مولکولی آزاد

همچنین نمایندگانی از زیست توده سیاره وجود دارند که می توانند از انرژی پیوندهای شیمیایی ترکیبات معدنی استفاده کنند. به آنها کموتروف می گویند. اینها شامل بسیاری از انواع باکتری ها می شود. به عنوان مثال، میکروارگانیسم های هیدروژنی که مولکول های بستر را در خاک اکسید می کنند. فرآیند طبق فرمول انجام می شود:

تاریخچه توسعه دانش اکسیداسیون بیولوژیکی

فرآیندی که زیربنای تولید انرژی است امروزه به خوبی شناخته شده است. این اکسیداسیون بیولوژیکی است. بیوشیمی ظرافت ها و مکانیسم های تمام مراحل عمل را با چنان جزئیاتی بررسی کرده است که تقریباً هیچ رمز و رازی باقی نمانده است. با این حال، این نبودهمیشه.

نخستین اشاره به پیچیده ترین دگرگونی های رخ داده در موجودات زنده، که واکنش های شیمیایی در طبیعت هستند، در حدود قرن هجدهم ظاهر شد. در این زمان بود که آنتوان لاووازیه، شیمیدان مشهور فرانسوی، توجه خود را به این موضوع معطوف کرد که اکسیداسیون و احتراق بیولوژیکی تا چه حد شبیه هم هستند. او مسیر تقریبی اکسیژن جذب شده در طول تنفس را ردیابی کرد و به این نتیجه رسید که فرآیندهای اکسیداسیون در داخل بدن اتفاق می‌افتد، در حین احتراق مواد مختلف فقط کندتر از خارج می‌شوند. یعنی عامل اکسید کننده - مولکول های اکسیژن - با ترکیبات آلی و به طور خاص با هیدروژن و کربن حاصل از آنها واکنش داده و یک تبدیل کامل همراه با تجزیه ترکیبات رخ می دهد.

با این حال، اگرچه این فرض اساساً کاملاً واقعی است، بسیاری از چیزها نامفهوم باقی ماندند. به عنوان مثال:

• از آنجایی که فرآیندها مشابه هستند، پس شرایط وقوع آنها باید یکسان باشد، اما اکسیداسیون در دمای پایین بدن رخ می دهد؛
• عمل با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی حرارتی همراه نیست و هیچ شعله ای تشکیل نمی شود؛
• موجودات زنده حداقل 75 تا 80 درصد آب دارند، اما این مانع از "سوزاندن" مواد مغذی موجود در آنها نمی شود.

پاسخ به همه این سؤالات و فهمیدن اینکه واقعاً اکسیداسیون بیولوژیکی چیست، سالها طول کشید.

تئوری های مختلفی وجود داشت که بر اهمیت حضور اکسیژن و هیدروژن در فرآیند دلالت داشت. رایج ترین و موفق ترین آنها عبارت بودند از:

• نظریه باخ، به نامپراکسید؛
• نظریه پالادین، بر اساس مفهوم "کروموژن".

در آینده، دانشمندان بسیار بیشتری چه در روسیه و چه در سایر کشورهای جهان وجود داشتند که به تدریج در این سؤال که اکسیداسیون بیولوژیکی چیست، اضافات و تغییراتی ایجاد کردند. بیوشیمی مدرن، به لطف کار خود، می تواند در مورد هر واکنش این فرآیند بگوید. از معروف ترین نام های این منطقه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• میچل؛
• S. V. Severin;
• واربورگ;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulachev;
• Krebs;
• سبز;
• B. A. Engelhardt;
• Kailin و دیگران.

انواع اکسیداسیون بیولوژیکی

دو نوع اصلی از فرآیند مورد بررسی وجود دارد که در شرایط مختلف رخ می دهد. بنابراین رایج ترین روش تبدیل غذای دریافتی در بسیاری از گونه های میکروارگانیسم ها و قارچ ها بی هوازی است. این اکسیداسیون بیولوژیکی است که بدون دسترسی به اکسیژن و بدون مشارکت آن به هر شکلی انجام می شود. شرایط مشابهی در جایی ایجاد می شود که دسترسی به هوا وجود ندارد: زیر زمین، در بسترهای پوسیده، سیلت ها، خاک رس، مرداب ها و حتی در فضا.

این نوع اکسیداسیون نام دیگری دارد - گلیکولیز. همچنین یکی از مراحل یک فرآیند پیچیده تر و پرزحمت تر، اما از نظر انرژی غنی است - تبدیل هوازی یا تنفس بافت. این دومین نوع فرآیند در حال بررسی است. در تمام موجودات زنده هوازی - هتروتروف ها کهاز اکسیژن برای تنفس استفاده می شود.

بنابراین انواع اکسیداسیون بیولوژیکی به شرح زیر است.

1. گلیکولیز، مسیر بی هوازی. به حضور اکسیژن نیازی ندارد و به اشکال مختلف تخمیر منجر می شود.
2. تنفس بافتی (فسفوریلاسیون اکسیداتیو) یا نمای هوازی. نیاز به حضور اکسیژن مولکولی دارد.

شرکت کنندگان در فرآیند

بیایید به بررسی ویژگی‌های اکسیداسیون بیولوژیکی برویم. بیایید ترکیبات اصلی و مخفف آنها را تعریف کنیم که در آینده از آنها استفاده خواهیم کرد.

1. Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) تراکم اسید اگزالیک و استیک با یک کوآنزیم است که در اولین مرحله از چرخه اسید تری کربوکسیلیک تشکیل می شود.
2. چرخه کربس (چرخه اسید سیتریک، اسیدهای تری کربوکسیلیک) مجموعه ای از تبدیلات ردوکس متوالی پیچیده است که با آزاد شدن انرژی، کاهش هیدروژن و تشکیل محصولات مهم با وزن مولکولی کم همراه است. این پیوند اصلی کاتا و آنابولیسم است.
3. NAD و NADH - آنزیم دهیدروژناز، مخفف نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید است. فرمول دوم یک مولکول با هیدروژن متصل است. NADP - نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات.
4. FAD و FADN - فلاوین آدنین دی نوکلئوتید - کوآنزیم دهیدروژنازها.
5. ATP - اسید آدنوزین تری فسفریک.
6. PVC - اسید پیروویک یا پیرووات.
7. سوکسینات یا سوکسینیک اسید، H₃PO₄− اسید فسفریک.
8. GTP - گوانوزین تری فسفات، دسته ای از نوکلئوتیدهای پورین.
9. ETC - زنجیره انتقال الکترون.
10. آنزیم های فرآیند: پراکسیدازها، اکسیژنازها، سیتوکروم اکسیدازها، فلاوین دهیدروژنازها، کوآنزیم های مختلف و سایر ترکیبات.

همه این ترکیبات شرکت کننده مستقیم در فرآیند اکسیداسیون هستند که در بافت ها (سلول های) موجودات زنده رخ می دهد.

مراحل اکسیداسیون بیولوژیکی: جدول

مرحله	فرایندها و معنا
گلیکولیز	ماهیت این فرآیند در تقسیم بدون اکسیژن مونوساکاریدها نهفته است، که مقدم بر فرآیند تنفس سلولی است و با خروجی انرژی برابر با دو مولکول ATP همراه است. پیرووات نیز تشکیل می شود. این مرحله اولیه برای هر موجود زنده هتروتروف است. اهمیت در تشکیل PVC، که وارد کریستای میتوکندری می شود و بستری برای اکسیداسیون بافت توسط اکسیژن است. در بی هوازی ها، پس از گلیکولیز، فرآیندهای تخمیر انواع مختلف آغاز می شود.
اکسایش پیرووات	این فرآیند شامل تبدیل PVC تشکیل شده در حین گلیکولیز به استیل کوآ است. این با استفاده از یک آنزیم تخصصی پیچیده پیروات دهیدروژناز انجام می شود. نتیجه مولکول‌های cetyl-CoA است که وارد چرخه کربس می‌شوند. در همین فرآیند، NAD به NADH کاهش می یابد. محل محلی سازی - کریستای میتوکندری.
تجزیه اسیدهای چرب بتا	این فرآیند به موازات فرآیند قبلی انجام می شودکریستای میتوکندری ماهیت آن پردازش تمام اسیدهای چرب به استیل کوآ و قرار دادن آن در چرخه اسید تری کربوکسیلیک است. این همچنین NADH را بازیابی می کند.
چرخه کربس	با تبدیل استیل کوآ به اسید سیتریک شروع می شود که دستخوش دگرگونی های بیشتری می شود. یکی از مهمترین مراحل که شامل اکسیداسیون بیولوژیکی می باشد. این اسید در معرض: است دهیدروژناسیون؛ دکربوکسیلاسیون؛ باززایی. هر فرآیند چندین بار انجام می شود. نتیجه: GTP، دی اکسید کربن، شکل کاهش یافته NADH و FADH2. در همان زمان، آنزیم های اکسیداسیون بیولوژیکی آزادانه در ماتریکس ذرات میتوکندری قرار دارند.
فسفوریلاسیون اکسیداتیو	این آخرین مرحله در تبدیل ترکیبات موجودات یوکاریوتی است. در این حالت آدنوزین دی فسفات به ATP تبدیل می شود. انرژی مورد نیاز برای این کار از اکسیداسیون مولکول های NADH و FADH2 که در مراحل قبلی تشکیل شده بودند، گرفته می شود. از طریق انتقال های پی در پی در امتداد ETC و کاهش پتانسیل، انرژی در پیوندهای ماکروارژیک ATP منعقد می شود.

همه اینها فرآیندهایی هستند که با اکسیداسیون بیولوژیکی با مشارکت اکسیژن همراه هستند. طبیعتاً آنها به طور کامل شرح داده نمی شوند، اما فقط در اصل، زیرا یک فصل کامل از کتاب برای توصیف دقیق مورد نیاز است. همه فرآیندهای بیوشیمیایی موجودات زنده بسیار چند وجهی و پیچیده هستند.

واکنش های ردوکس فرآیند

واکنش‌های ردوکس، که نمونه‌هایی از آن‌ها می‌تواند فرآیندهای اکسیداسیون سوبسترا که در بالا توضیح داده شد را نشان دهد، به شرح زیر است.

1. گلیکولیز: مونوساکارید (گلوکز) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. اکسیداسیون پیرووات: پی وی سی + آنزیم=دی اکسید کربن + استالدئید. سپس مرحله بعدی: استالدئید + کوآنزیم A=استیل کوآ.
3. تغییرهای متوالی اسید سیتریک در چرخه کربس.

این واکنش‌های ردوکس، که نمونه‌هایی از آن‌ها در بالا آورده شده‌اند، ماهیت فرآیندهای در حال انجام را فقط به صورت کلی منعکس می‌کنند. مشخص است که ترکیبات مورد بحث یا وزن مولکولی بالایی دارند یا اسکلت کربنی بزرگی دارند، بنابراین نمی توان همه چیز را با فرمول های کامل نشان داد.

برون ده انرژی تنفس بافتی

از توضیحات بالا، بدیهی است که محاسبه بازده انرژی کل کل اکسیداسیون دشوار نیست.

1. گلیکولیز دو مولکول ATP تولید می کند.
2. اکسیداسیون پیرووات 12 مولکول ATP.
3. 22 مولکول در هر چرخه اسید سیتریک.

خط آخر: اکسیداسیون کامل بیولوژیکی از طریق مسیر هوازی خروجی انرژی برابر با 36 مولکول ATP می دهد. اهمیت اکسیداسیون بیولوژیکی آشکار است. این انرژی است که توسط موجودات زنده برای زندگی و عملکرد و همچنین برای گرم کردن بدن، حرکت و سایر موارد ضروری استفاده می شود.

اکسیداسیون بی هوازی بستر

نوع دوم اکسیداسیون بیولوژیکی بی هوازی است. یعنی کاری که توسط همه انجام می شود، اما میکروارگانیسم های گونه های خاصی روی آن متوقف می شوند. این گلیکولیز است، و از آن است که تفاوت در تبدیل بیشتر مواد بین هوازی و بی هوازی به وضوح قابل ردیابی است.

مراحل اکسیداسیون بیولوژیکی کمی در این مسیر وجود دارد.

1. گلیکولیز، یعنی اکسیداسیون یک مولکول گلوکز به پیرووات.
2. تخمیر منجر به بازسازی ATP.

تخمیر بسته به موجودات درگیر می تواند انواع مختلفی داشته باشد.

تخمیر اسیدلاکتیک

توسط باکتری های اسید لاکتیک و برخی قارچ ها انجام می شود. نکته اصلی بازگرداندن پی وی سی به اسید لاکتیک است. این فرآیند در صنعت برای به دست آوردن:

استفاده می شود

• فرآورده های شیر تخمیری؛
• سبزیجات و میوه های تخمیری؛
• سیلوی حیوانات.

این نوع تخمیر یکی از پرکاربردترین ها در نیازهای انسان است.

تخمیر الکل

برای مردم از دوران باستان شناخته شده است. ماهیت این فرآیند تبدیل PVC به دو مولکول اتانول و دو دی اکسید کربن است. با توجه به عملکرد این محصول، از این نوع تخمیر برای به دست آوردن:

استفاده می شود.

• نان;
• شراب;
• آبجو؛
• قنادی و بیشتر.

توسط قارچ ها، مخمرها و میکروارگانیسم هایی با طبیعت باکتریایی انجام می شود.

تخمیر بوتیریک

نوعی تخمیر نسبتاً خاص. توسط باکتری های جنس کلستریدیوم انجام می شود. نکته اصلی تبدیل پیروات به اسید بوتیریک است که به غذا بوی نامطبوع و طعم ترش می دهد.

بنابراین، واکنش های اکسیداسیون بیولوژیکی که این مسیر را دنبال می کنند، عملاً در صنعت استفاده نمی شوند. با این حال، این باکتری ها خود به خود غذا می کارند و باعث آسیب می شوند و کیفیت آنها را پایین می آورند.