Senza energia, nessun essere vivente può esistere. Dopotutto, ogni reazione chimica, ogni processo richiede la sua presenza. È facile per chiunque capirlo e sentirlo. Se non mangi cibo tutto il giorno, la sera, e forse anche prima, inizieranno i sintomi di maggiore affaticamento, letargia e la forza diminuirà in modo significativo.
Come si sono adattati diversi organismi per ottenere energia? Da dove viene e quali processi avvengono all'interno della cellula? Proviamo a capire questo articolo.
Come ottenere energia dagli organismi
Qualunque sia il modo in cui le creature consumano energia, le ORR (reazioni di riduzione dell'ossidazione) sono sempre la base. Si possono fare vari esempi. Anche l'equazione della fotosintesi, che viene eseguita da piante verdi e alcuni batteri, è OVR. Naturalmente, i processi differiranno a seconda di quale essere vivente si intende.
Quindi, tutti gli animali sono eterotrofi. Cioè, tali organismi che non sono in grado di formare autonomamente composti organici già pronti all'interno di se stessila loro ulteriore scissione e rilascio dell'energia dei legami chimici.
Le piante, al contrario, sono il più potente produttore di materia organica del nostro pianeta. Sono loro che svolgono un processo complesso e importante chiamato fotosintesi, che consiste nella formazione di glucosio dall'acqua, anidride carbonica sotto l'azione di una sostanza speciale: la clorofilla. Il sottoprodotto è l'ossigeno, che è la fonte di vita per tutti gli esseri viventi aerobici.
Reazioni redox, esempi delle quali illustrano questo processo:
6CO2 + 6H2O=clorofilla=C6H 10O6 + 6O2;
o
anidride carbonica + ossido di idrogeno sotto l'influenza del pigmento clorofilliano (enzima di reazione)=monosaccaride + ossigeno molecolare libero
Ci sono anche tali rappresentanti della biomassa del pianeta che sono in grado di utilizzare l'energia dei legami chimici dei composti inorganici. Si chiamano chemiotrofi. Questi includono molti tipi di batteri. Ad esempio, i microrganismi dell'idrogeno che ossidano le molecole del substrato nel terreno. Il processo si svolge secondo la formula:
Storia dello sviluppo della conoscenza dell'ossidazione biologica
Il processo che sta alla base della produzione di energia è ben noto oggi. Questa è ossidazione biologica. La biochimica ha studiato le sottigliezze e i meccanismi di tutte le fasi dell'azione in modo così dettagliato che non ci sono quasi più misteri. Tuttavia, questo non lo erasempre.
La prima menzione delle trasformazioni più complesse che avvengono all'interno degli esseri viventi, che sono reazioni chimiche in natura, apparve intorno al 18° secolo. Fu in questo momento che Antoine Lavoisier, il famoso chimico francese, rivolse la sua attenzione a quanto siano simili l'ossidazione biologica e la combustione. Ha tracciato il percorso approssimativo dell'ossigeno assorbito durante la respirazione ed è giunto alla conclusione che i processi di ossidazione si verificano all'interno del corpo, solo più lentamente che all'esterno durante la combustione di varie sostanze. Cioè, l'agente ossidante - le molecole di ossigeno - reagisce con i composti organici, e in particolare con l'idrogeno e il carbonio da essi, e si verifica una trasformazione completa, accompagnata dalla decomposizione dei composti.
Tuttavia, sebbene questa ipotesi sia essenzialmente abbastanza reale, molte cose sono rimaste incomprensibili. Ad esempio:
- poiché i processi sono simili, le condizioni per il loro verificarsi dovrebbero essere identiche, ma l'ossidazione avviene a bassa temperatura corporea;
- l'azione non è accompagnata dal rilascio di un'enorme quantità di energia termica e non c'è formazione di fiamma;
- Gli esseri viventi contengono almeno il 75-80% di acqua, ma questo non impedisce la "bruciatura" dei nutrienti al loro interno.
Ci sono voluti anni per rispondere a tutte queste domande e capire cos'è veramente l'ossidazione biologica.
C'erano diverse teorie che implicavano l'importanza della presenza di ossigeno e idrogeno nel processo. I più comuni e di maggior successo sono stati:
- Teoria di Bach, chiamataperossido;
- Teoria di Palladino, basata sul concetto di "cromogeni".
In futuro, c'erano molti più scienziati, sia in Russia che in altri paesi del mondo, che gradualmente hanno apportato aggiunte e modifiche alla domanda su cosa sia l'ossidazione biologica. La biochimica moderna, grazie al loro lavoro, può raccontare ogni reazione di questo processo. Tra i nomi più famosi in questa zona ci sono i seguenti:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulacev;
- Krebs;
- Verde;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin e altri.
Tipi di ossidazione biologica
Ci sono due tipi principali di processo in esame, che si verificano in condizioni diverse. Quindi, il modo più comune per convertire il cibo ricevuto in molte specie di microrganismi e funghi è l'anaerobiosi. Questa è l'ossidazione biologica, che viene eseguita senza accesso all'ossigeno e senza la sua partecipazione in alcuna forma. Condizioni simili si creano dove non c'è accesso all'aria: sottoterra, in substrati in decomposizione, limo, argille, paludi e persino nello spazio.
Questo tipo di ossidazione ha un altro nome: glicolisi. È anche una delle fasi di un processo più complesso e laborioso, ma energeticamente ricco: la trasformazione aerobica o la respirazione dei tessuti. Questo è il secondo tipo di processo preso in considerazione. Si verifica in tutte le creature viventi aerobiche-eterotrofi, chel'ossigeno è usato per respirare.
Quindi i tipi di ossidazione biologica sono i seguenti.
- Glicolisi, via anaerobica. Non richiede la presenza di ossigeno e dà luogo a varie forme di fermentazione.
- Respirazione tissutale (fosforilazione ossidativa) o vista aerobica. Richiede la presenza di ossigeno molecolare.
Partecipanti al processo
Passiamo alla considerazione delle caratteristiche stesse che contiene l'ossidazione biologica. Definiamo i composti principali e le loro abbreviazioni, che utilizzeremo in futuro.
- L'acetilcoenzima-A (acetil-CoA) è un condensato di acido ossalico e acetico con un coenzima, formato nella prima fase del ciclo dell'acido tricarbossilico.
- Il ciclo di Krebs (ciclo dell'acido citrico, acidi tricarbossilici) è una serie di complesse trasformazioni sequenziali redox accompagnate dal rilascio di energia, dalla riduzione dell'idrogeno e dalla formazione di importanti prodotti a basso peso molecolare. È il collegamento principale nel cata- e nell'anabolismo.
- NAD e NADH - enzima deidrogenasi, sta per nicotinamide adenina dinucleotide. La seconda formula è una molecola con un idrogeno attaccato. NADP - nicotinamide adenina dinucleotide fosfato.
- FAD e FADN − flavin adenin dinucleotide - coenzima delle deidrogenasi.
- ATP - acido adenosina trifosforico.
- PVC - acido piruvico o piruvato.
- Succinato o acido succinico, H3PO4− acido fosforico.
- GTP − guanosina trifosfato, classe dei nucleotidi purinici.
- ETC - catena di trasporto degli elettroni.
- Enzimi del processo: perossidasi, ossigenasi, citocromo ossidasi, flavina deidrogenasi, coenzimi vari e altri composti.
Tutti questi composti partecipano direttamente al processo di ossidazione che avviene nei tessuti (cellule) degli organismi viventi.
Stadi di ossidazione biologica: tabella
| Fase | Processi e significato |
| Glicolisi | L'essenza del processo risiede nella scissione senza ossigeno dei monosaccaridi, che precede il processo di respirazione cellulare ed è accompagnata da una produzione di energia pari a due molecole di ATP. Si forma anche piruvato. Questa è la fase iniziale per qualsiasi organismo vivente di un eterotrofio. Significato nella formazione del PVC, che entra nelle creste dei mitocondri ed è un substrato per l'ossidazione dei tessuti da parte dell'ossigeno. Negli anaerobi, dopo la glicolisi, iniziano processi di fermentazione di vario tipo. |
| Ossidazione del piruvato | Questo processo consiste nella conversione del PVC formatosi durante la glicolisi in acetil-CoA. Viene effettuato utilizzando un complesso enzimatico specializzato piruvato deidrogenasi. Il risultato sono molecole di cetil-CoA che entrano nel ciclo di Krebs. Nello stesso processo, il NAD viene ridotto a NADH. Luogo di localizzazione - creste dei mitocondri. |
| La scomposizione degli acidi grassi beta | Questo processo viene eseguito in parallelo con il precedentecreste mitocondriali. La sua essenza consiste nel trasformare tutti gli acidi grassi in acetil-CoA e inserirlo nel ciclo dell'acido tricarbossilico. Questo ripristina anche NADH. |
| Ciclo di Krebs |
Inizia con la conversione dell'acetil-CoA in acido citrico, che subisce ulteriori trasformazioni. Una delle fasi più importanti che include l'ossidazione biologica. Questo acido è esposto a:
Ogni processo viene eseguito più volte. Risultato: GTP, anidride carbonica, forma ridotta di NADH e FADH2. Allo stesso tempo, gli enzimi di ossidazione biologica si trovano liberamente nella matrice delle particelle mitocondriali. |
| Fosforilazione ossidativa | Questo è l'ultimo passo nella conversione dei composti negli organismi eucariotici. In questo caso, l'adenosina difosfato viene convertito in ATP. L'energia necessaria per questo viene prelevata dall'ossidazione di quelle molecole NADH e FADH2 che si sono formate negli stadi precedenti. Attraverso successive transizioni lungo l'ETC e una diminuzione dei potenziali, l'energia si conclude in legami macroergici di ATP. |
Questi sono tutti processi che accompagnano l'ossidazione biologica con la partecipazione dell'ossigeno. Naturalmente, non sono completamente descritti, ma solo in sostanza, poiché per una descrizione dettagliata è necessario un intero capitolo del libro. Tutti i processi biochimici degli organismi viventi sono estremamente sfaccettati e complessi.
Reazioni redox del processo
Le reazioni redox, esempi delle quali possono illustrare i processi di ossidazione del substrato sopra descritti, sono le seguenti.
- Glicolisi: monosaccaride (glucosio) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Ossidazione del piruvato: PVC + enzima=anidride carbonica + acetaldeide. Quindi il passaggio successivo: acetaldeide + coenzima A=acetil-CoA.
- Molte trasformazioni successive dell'acido citrico nel ciclo di Krebs.
Queste reazioni redox, di cui sono forniti esempi sopra, riflettono l'essenza dei processi in corso solo in termini generali. È noto che i composti in questione sono ad alto peso molecolare o hanno un grande scheletro di carbonio, quindi semplicemente non è possibile rappresentare tutto con formule complete.
Produzione energetica della respirazione tissutale
Da quanto sopra descritto, è ovvio che non è difficile calcolare la resa energetica totale dell'intera ossidazione.
- La glicolisi produce due molecole di ATP.
- Ossidazione del piruvato 12 molecole di ATP.
- 22 molecole per ciclo di acido citrico.
Conclusione: la completa ossidazione biologica attraverso il percorso aerobico fornisce una produzione di energia pari a 36 molecole di ATP. L'importanza dell'ossidazione biologica è evidente. È questa energia che viene utilizzata dagli organismi viventi per la vita e il funzionamento, nonché per riscaldare i loro corpi, il movimento e altre cose necessarie.
Ossidazione anaerobica del supporto
Il secondo tipo di ossidazione biologica è anaerobica. Cioè, uno che viene svolto da tutti, ma su cui si fermano i microrganismi di determinate specie. Questa è la glicolisi, ed è da essa che si tracciano chiaramente le differenze nell'ulteriore trasformazione delle sostanze tra aerobi e anaerobi.
Ci sono pochi passaggi di ossidazione biologica lungo questo percorso.
- Glicolisi, ovvero l'ossidazione di una molecola di glucosio in piruvato.
- Fermentazione che porta alla rigenerazione dell'ATP.
La fermentazione può essere di diversi tipi, a seconda degli organismi coinvolti.
Fermentazione dell'acido lattico
Effettuato da batteri lattici e alcuni funghi. La linea di fondo è ripristinare il PVC in acido lattico. Questo processo viene utilizzato nell'industria per ottenere:
- prodotti a base di latte fermentato;
- frutta e verdura fermentate;
- silos per animali.
Questo tipo di fermentazione è uno dei più utilizzati nei bisogni umani.
Fermentazione alcolica
Noto alla gente fin dall'antichità. L'essenza del processo è la conversione del PVC in due molecole di etanolo e due di anidride carbonica. Grazie a questa resa del prodotto, questo tipo di fermentazione viene utilizzata per ottenere:
- pane;
- vino;
- birra;
- dolciumi e altro ancora.
Viene svolto da funghi, lieviti e microrganismi di natura batterica.
Fermentazione butirrica
Un tipo di fermentazione piuttosto strettamente specifico. Eseguito da batteri del genere Clostridium. La conclusione è la conversione del piruvato in acido butirrico, che conferisce al cibo un odore sgradevole e un sapore rancido.
Pertanto, le reazioni di ossidazione biologica che seguono questo percorso non sono praticamente utilizzate nell'industria. Tuttavia, questi batteri seminano il cibo da soli e causano danni, abbassandone la qualità.
