بدون طاقة ، لا يمكن أن يوجد كائن حي واحد. بعد كل شيء ، كل تفاعل كيميائي ، كل عملية تتطلب وجودها. من السهل على أي شخص أن يفهم هذا ويشعر به. إذا كنت لا تأكل الطعام طوال اليوم ، فعند المساء ، وربما حتى قبل ذلك ، ستبدأ أعراض زيادة التعب والخمول ، وستنخفض القوة بشكل ملحوظ.
كيف تكيفت الكائنات الحية المختلفة للحصول على الطاقة؟ من أين أتت وما هي العمليات التي تتم داخل الخلية؟ دعونا نحاول فهم هذا المقال
الحصول على الطاقة من الكائنات الحية
مهما كانت الطريقة التي تستهلك بها الكائنات الطاقة ، فإن ORR (تفاعلات تقليل الأكسدة) هي الأساس دائمًا. يمكن إعطاء أمثلة مختلفة. معادلة التمثيل الضوئي ، التي يتم إجراؤها بواسطة النباتات الخضراء وبعض البكتيريا ، هي أيضًا OVR. بطبيعة الحال ، ستختلف العمليات اعتمادًا على المقصود بالكائن الحي.
إذن ، كل الحيوانات كائنات غيرية التغذية. وهذا يعني أن هذه الكائنات الحية غير قادرة على تكوين مركبات عضوية جاهزة بشكل مستقل داخل نفسهامزيد من الانقسام وتحرير طاقة الروابط الكيميائية.
النباتات ، على العكس من ذلك ، هي أقوى منتج للمواد العضوية على كوكبنا. هم الذين يقومون بعملية معقدة ومهمة تسمى التمثيل الضوئي ، والتي تتكون من تكوين الجلوكوز من الماء وثاني أكسيد الكربون تحت تأثير مادة خاصة - الكلوروفيل. المنتج الثانوي هو الأكسجين ، وهو مصدر الحياة لجميع الكائنات الحية الهوائية.
تفاعلات الأكسدة والاختزال ، أمثلة منها توضح هذه العملية:
6CO2+ 6H2O=الكلوروفيل=C6H10O6+ 6O2؛
أو
ثاني أكسيد الكربون + أكسيد الهيدروجين تحت تأثير صبغة الكلوروفيل (إنزيم التفاعل)=السكاريد الأحادي + الأكسجين الجزيئي الحر
يوجد أيضًا ممثلو الكتلة الحيوية للكوكب القادرين على استخدام طاقة الروابط الكيميائية للمركبات غير العضوية. يطلق عليهم اسم chemotrophs. وتشمل هذه أنواعًا عديدة من البكتيريا. على سبيل المثال ، الكائنات الدقيقة الهيدروجينية التي تؤكسد جزيئات الركيزة في التربة. تتم العملية وفقًا للصيغة:
تاريخ تطور معرفة الأكسدة البيولوجية
العملية التي يقوم عليها إنتاج الطاقة معروفة جيدًا اليوم. هذه أكسدة بيولوجية. لقد درست الكيمياء الحيوية التفاصيل الدقيقة وآليات جميع مراحل العمل بتفصيل كبير لدرجة أنه لم يعد هناك أي ألغاز تقريبًا. ومع ذلك ، لم يكن هذادائما
ظهر أول ذكر للتحولات الأكثر تعقيدًا التي تحدث داخل الكائنات الحية ، والتي هي تفاعلات كيميائية في الطبيعة ، في حوالي القرن الثامن عشر. في ذلك الوقت ، وجه أنطوان لافوازييه ، الكيميائي الفرنسي الشهير ، انتباهه إلى مدى تشابه الأكسدة البيولوجية والاحتراق. لقد تتبع المسار التقريبي للأكسجين الذي يمتص أثناء التنفس وتوصل إلى استنتاج مفاده أن عمليات الأكسدة تحدث داخل الجسم ، بشكل أبطأ من الخارج أثناء احتراق المواد المختلفة. أي أن العامل المؤكسد - جزيئات الأكسجين - يتفاعل مع المركبات العضوية ، وعلى وجه التحديد مع الهيدروجين والكربون منها ، ويحدث تحول كامل ، مصحوبًا بتحلل المركبات.
ومع ذلك ، على الرغم من أن هذا الافتراض حقيقي تمامًا ، إلا أن العديد من الأشياء ظلت غير مفهومة. على سبيل المثال:
- نظرًا لأن العمليات متشابهة ، فيجب أن تكون شروط حدوثها متطابقة ، لكن الأكسدة تحدث عند درجة حرارة الجسم المنخفضة ؛
- لا يصاحب الإجراء إطلاق كمية هائلة من الطاقة الحرارية ولا يوجد لهب ؛
- الكائنات الحية تحتوي على ما لا يقل عن 75-80٪ ماء ، لكن هذا لا يمنع "حرق" العناصر الغذائية فيها.
لقد استغرق الأمر سنوات للإجابة على كل هذه الأسئلة وفهم ما هي الأكسدة البيولوجية حقًا.
كانت هناك نظريات مختلفة أشارت إلى أهمية وجود الأكسجين والهيدروجين في العملية. الأكثر شيوعًا والأكثر نجاحًا كانت:
- نظرية باخ ، ودعابيروكسيد ؛
- نظرية بالادين ، القائمة على مفهوم "الكروموجينات".
في المستقبل ، كان هناك عدد أكبر من العلماء ، في كل من روسيا ودول أخرى في العالم ، قاموا تدريجياً بإضافات وتغييرات في مسألة ماهية الأكسدة البيولوجية. يمكن للكيمياء الحيوية الحديثة ، بفضل عملهم ، أن تخبرنا عن كل تفاعل لهذه العملية. ومن أشهر الأسماء في هذا المجال ما يلي:
- ميتشل ؛
- S. سيفيرين
- واربورغ ؛
- ب. بيلتسر
- لينينجر ؛
- ب. P. Skulachev ؛
- كريبس ؛
- جرين ؛
- ب. أ.إنجلهاردت
- كيلين و اخرين
أنواع الأكسدة البيولوجية
هناك نوعان رئيسيان من العملية قيد الدراسة ، والتي تحدث في ظل ظروف مختلفة. لذلك ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل الطعام الذي يتم تلقيه في العديد من أنواع الكائنات الحية الدقيقة والفطريات هي اللاهوائية. هذه هي الأكسدة البيولوجية ، والتي تتم دون وصول إلى الأكسجين ودون مشاركتها بأي شكل من الأشكال. يتم إنشاء ظروف مماثلة حيث لا يوجد وصول للهواء: تحت الأرض ، في الركائز المتعفنة ، الطمي ، الطين ، المستنقعات ، وحتى في الفضاء.
هذا النوع من الأكسدة له اسم آخر - تحلل السكر. إنها أيضًا واحدة من مراحل عملية معقدة وشاقة ولكنها غنية بالطاقة - التحول الهوائي أو تنفس الأنسجة. هذا هو النوع الثاني من العملية قيد النظر. يحدث في جميع الكائنات الحية الهوائية - غيرية التغذية ، والتييستخدم الأكسجين للتنفس.
إذن أنواع الأكسدة البيولوجية هي كما يلي
- تحلل السكر ، مسار لاهوائي. لا يحتاج لوجود الاوكسجين وينتج عنه اشكال مختلفة من التخمر
- تنفس الأنسجة (الفسفرة المؤكسدة) ، أو الرؤية الهوائية. يتطلب وجود الأكسجين الجزيئي.
المشاركون في العملية
دعنا ننتقل إلى النظر في السمات ذاتها التي تحتوي عليها الأكسدة البيولوجية. دعونا نحدد المركبات الرئيسية واختصاراتها التي سنستخدمها في المستقبل.
- Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) عبارة عن مكثف من حمض الأكساليك والأسيتيك مع أنزيم ، يتكون في المرحلة الأولى من دورة حمض الكربوكسيل.
- دورة كريبس (دورة حامض الستريك ، أحماض ثلاثي الكربوكسيل) هي سلسلة من تحويلات الأكسدة والاختزال المتسلسلة المعقدة المصحوبة بإطلاق الطاقة ، والحد من الهيدروجين ، وتشكيل منتجات مهمة منخفضة الوزن الجزيئي. إنه الرابط الرئيسي في cata- و anabolism
- NAD و NADH - إنزيم نازعة الهيدروجين ، يرمز إلى نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد. الصيغة الثانية عبارة عن جزيء به هيدروجين متصل. NADP - فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد.
- FAD و FADN - فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد - أنزيم من نازعات الهيدروجين.
- ATP - حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك.
- PVC - حمض البيروفيك أو البيروفات.
- حمض السكسينيك أو السكسينيك ، H3PO4 - حمض الفوسفوريك
- GTP - غوانوزين ثلاثي الفوسفات ، فئة من نيوكليوتيدات البيورين.
- ETC - سلسلة نقل الإلكترون.
- إنزيمات العملية: البيروكسيدات ، والأكسجين ، وأكسيدات السيتوكروم ، وفلافين ديهيدروجينيز ، وأنزيمات مساعدة مختلفة ومركبات أخرى.
كل هذه المركبات هي مشاركين مباشرين في عملية الأكسدة التي تحدث في أنسجة (خلايا) الكائنات الحية.
مراحل الأكسدة البيولوجية: الجدول
| المرحلة | العمليات والمعنى |
| تحلل السكر | يكمن جوهر العملية في الانقسام الخالي من الأكسجين للسكريات الأحادية ، والذي يسبق عملية التنفس الخلوي ويرافقه ناتج طاقة يساوي جزيئين ATP. يتكون البيروفات أيضًا. هذه هي المرحلة الأولية لأي كائن حي من غيرية التغذية. أهمية في تكوين PVC ، الذي يدخل في أعراف الميتوكوندريا وهو ركيزة لأكسدة الأنسجة بواسطة الأكسجين. في اللاهوائية ، بعد تحلل السكر ، تبدأ عمليات التخمير بأنواعها المختلفة. |
| أكسدة بيروفات | تتكون هذه العملية من تحويل PVC المتكون أثناء تحلل السكر إلى أسيتيل CoA. يتم تنفيذه باستخدام مركب إنزيم بيروفات ديهيدروجينيز المتخصص. والنتيجة هي جزيئات cetyl-CoA التي تدخل دورة كريبس. في نفس العملية ، يتم تقليل NAD إلى NADH. مكان التعريب - كرستى الميتوكوندريا. |
| انهيار أحماض بيتا الدهنية | يتم تنفيذ هذه العملية بالتوازي مع العملية السابقة فيكريستي الميتوكوندريا. جوهرها هو معالجة جميع الأحماض الدهنية في أسيتيل CoA ووضعها في دورة حمض الكربوكسيليك. هذا أيضا يعيد NADH. |
| دورة كريبس |
يبدأ بتحويل أسيتيل CoA إلى حمض الستريك ، والذي يخضع لمزيد من التحولات. من أهم المراحل التي تشمل الأكسدة البيولوجية. يتعرض هذا الحمض لما يلي:
تتم كل عملية عدة مرات. النتيجة: GTP ، وثاني أكسيد الكربون ، والشكل المختزل من NADH و FADH2. في الوقت نفسه ، توجد إنزيمات الأكسدة البيولوجية بحرية في مصفوفة جسيمات الميتوكوندريا. |
| الفسفرة المؤكسدة | هذه هي الخطوة الأخيرة في تحويل المركبات في الكائنات حقيقية النواة. في هذه الحالة ، يتم تحويل ثنائي فوسفات الأدينوزين إلى ATP. الطاقة اللازمة لذلك مأخوذة من أكسدة جزيئات NADH و FADH2التي تكونت في المراحل السابقة. من خلال التحولات المتتالية على طول ETC وانخفاض الإمكانات ، يتم استنتاج الطاقة في الروابط الكبيرة لـ ATP. |
هذه جميع العمليات التي تصاحب الأكسدة البيولوجية بمشاركة الأكسجين. بطبيعة الحال ، لم يتم وصفها بالكامل ، ولكن فقط من حيث الجوهر ، حيث يلزم فصل كامل من الكتاب للحصول على وصف مفصل. جميع العمليات البيوكيميائية للكائنات الحية متعددة الأوجه ومعقدة للغاية.
تفاعلات الأكسدة والاختزال للعملية
تفاعلات الأكسدة والاختزال ، أمثلة منها يمكن أن توضح عمليات أكسدة الركيزة الموضحة أعلاه ، كما يلي.
- تحلل السكر: أحادي السكاريد (جلوكوز) + 2NAD++ 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H++ 2H2O + NADH.
- أكسدة بيروفات: بولي كلوريد الفينيل + إنزيم=ثاني أكسيد الكربون + أسيتالديهيد. ثم الخطوة التالية: أسيتالديهيد + أنزيم أ=أسيتيل-كوا.
- العديد من التحولات المتتالية لحمض الستريك في دورة كريبس.
تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه ، والتي تم تقديم أمثلة عليها أعلاه ، تعكس جوهر العمليات الجارية فقط بشكل عام. من المعروف أن المركبات المعنية إما ذات وزن جزيئي مرتفع أو لها هيكل عظمي كربوني كبير ، لذلك لا يمكن ببساطة تمثيل كل شيء بالصيغ الكاملة.
إخراج الطاقة من تنفس الأنسجة
من الأوصاف أعلاه ، من الواضح أنه ليس من الصعب حساب إجمالي إنتاجية الطاقة للأكسدة بأكملها.
- ينتج تحلل السكر جزيئين من ATP.
- أكسدة بيروفات 12 جزيئات ATP.
- 22 جزيء لكل دورة حمض الستريك.
الخلاصة: الأكسدة البيولوجية الكاملة من خلال المسار الهوائي تعطي طاقة ناتجة تساوي 36 جزيء ATP. أهمية الأكسدة البيولوجية واضحة. هذه هي الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية للحياة والعمل ، وكذلك لتدفئة أجسادهم وحركتهم وغيرها من الأشياء الضرورية.
أكسدة الركيزة اللاهوائية
النوع الثاني من الأكسدة البيولوجية اللاهوائية. هذا هو الذي يتم تنفيذه من قبل الجميع ، ولكن تتوقف عليه الكائنات الحية الدقيقة من بعض الأنواع. هذا هو تحلل الجلوكوز ، ومنه يتم تتبع الاختلافات في التحول الإضافي للمواد بين الأيروبس واللاهوائيات بشكل واضح.
هناك خطوات قليلة للأكسدة البيولوجية على طول هذا المسار.
- تحلل السكر ، أي أكسدة جزيء الجلوكوز إلى البيروفات.
- التخمر الذي يؤدي إلى تجديد ATP.
يمكن أن يكون التخمير من أنواع مختلفة ، اعتمادًا على الكائنات الحية المعنية.
تخمير حمض اللاكتيك
تنفذ بواسطة بكتيريا حمض اللاكتيك وبعض الفطريات. خلاصة القول هي إعادة PVC إلى حمض اللاكتيك. تستخدم هذه العملية في الصناعة للحصول على:
- منتجات الحليب المخمر ؛
- خضروات وفواكه مخمرة ؛
- صوامع للحيوانات.
هذا النوع من التخمير هو من أكثر أنواع التخمير استخدامًا في احتياجات الإنسان.
تخمير الكحول
معروف للناس منذ القدم. جوهر العملية هو تحويل PVC إلى جزيئين من الإيثانول واثنين من ثاني أكسيد الكربون. نظرًا لإنتاج هذا المنتج ، يتم استخدام هذا النوع من التخمير للحصول على:
- خبز
- نبيذ ؛
- بيرة ؛
- حلويات و اكثر
يتم تنفيذه بواسطة الفطريات والخميرة والكائنات الحية الدقيقة ذات الطبيعة البكتيرية.
تخمير زبدة
نوع محدد إلى حد ما من التخمير. تقوم بها بكتيريا من جنس كلوستريديوم. خلاصة القول هي تحويل البيروفات إلى حمض الزبد ، الذي يعطي الطعام رائحة كريهة وطعم زنخ.
لذلك ، فإن تفاعلات الأكسدة البيولوجية التي تتبع هذا المسار لا تُستخدم عمليًا في الصناعة. ومع ذلك ، فإن هذه البكتيريا تزرع الطعام من تلقاء نفسها وتسبب الضرر ، وتقلل من جودتها.
