Биологиялык кычкылдануу. Редокс реакциялары: мисалдар

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-15 17:27

Энергиясыз бир да жан жашай албайт. Анткени, ар бир химиялык реакция, ар бир процесс анын катышуусун талап кылат. Муну түшүнүү жана сезүү ар кимге оңой. Эгерде сиз күн бою тамак жебесеңиз, анда кечке чейин, балким андан да эртерээк чарчоонун, летаргиянын белгилери башталат, күч бир топ төмөндөйт.

Ар кандай организмдер энергия алууга кантип ыңгайлашкан? Ал кайдан келип чыгат жана клетканын ичинде кандай процесстер жүрөт? Келгиле, бул макаланы түшүнүүгө аракет кылалы.

Энергияны организмдер алуу

Жандыктар энергияны кандай жол менен керектебесин, ORR (кычкылдануу-калыбына келтирүү реакциялары) ар дайым негиз болуп саналат. Ар кандай мисалдарды келтирсе болот. Жашыл өсүмдүктөр жана кээ бир бактериялар жүргүзгөн фотосинтездин теңдемеси да OVR. Албетте, процесстер кайсы жандыкты билдиргенине жараша ар кандай болот.

Демек, бардык жаныбарлар гетеротрофтуулар. Башкача айтканда, өз алдынча даяр органикалык кошулмаларды түзө албаган организмдералардын андан ары бөлүнүшү жана химиялык байланыштардын энергиясынын бөлүнүп чыгышы.

Өсүмдүктөр, тескерисинче, биздин планетадагы органикалык заттардын эң күчтүү өндүрүүчүсү. Дал ошолор атайын заттын – хлорофиллдин таасири астында суудан, көмүр кычкыл газынан глюкозанын пайда болушунан турган фотосинтез деп аталган татаал жана маанилүү процессти жүргүзүшөт. Кошумча продукты – бардык аэробдук жандыктар үчүн жашоонун булагы болгон кычкылтек.

Кичирейтүү реакциялары, алардын мисалдары бул процессти сүрөттөйт:

6CO₂ + 6H₂O=хлорофилл=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

же

хлорофилл пигментинин (реакция ферментинин) таасири астында көмүр кычкыл газы + суутек кычкылы=моносахарид + эркин молекулалык кычкылтек

Планетанын биомассасынын органикалык эмес бирикмелердин химиялык байланыштарынын энергиясын пайдаланууга жөндөмдүү болгон өкүлдөрү да бар. Алар химотрофтар деп аталат. Бул бактериялардын көптөгөн түрлөрүн камтыйт. Мисалы, топурактагы субстрат молекулаларын кычкылдандырган суутек микроорганизмдери. Процесс төмөнкү формула боюнча ишке ашат:

Биологиялык кычкылдануу билиминин өнүгүү тарыхы

Энергияны өндүрүүнүн негизин түзгөн процесс бүгүнкү күндө жакшы белгилүү. Бул биологиялык кычкылдануу болуп саналат. Биохимия иш-аракеттин бардык баскычтарынын кылдат жактарын жана механизмдерин ушунчалык майда-чүйдөсүнө чейин изилдегендиктен, дээрлик эч кандай сыр калбады. Бирок, бул болгон эмесар дайым.

Табигаттагы химиялык реакциялар болгон тирүү жандыктардын ичиндеги эң татаал өзгөрүүлөрдүн биринчи жолу 18-кылымдын тегерегинде пайда болгон. Дал ушул мезгилде атактуу француз химиги Антуан Лавуазье биологиялык кычкылдануу менен күйүү канчалык окшош экенине көңүл бурган. Ал дем алуу учурунда сиңирүүчү кычкылтектин болжолдуу жолун байкап, кычкылдануу процесстери организмдин ичинде, ар кандай заттардын күйүү учурунда сыртка караганда жайыраак жүрөт деген жыйынтыкка келген. Башкача айтканда, кычкылдандыруучу агент - кычкылтек молекулалары - органикалык бирикмелер менен, тагыраак айтканда, алардан суутек жана көмүртек менен реакцияга кирип, кошулмалардын ыдырашы менен коштолгон толук өзгөрүү жүрөт.

Бирок, бул божомол негизи чын болсо да, көп нерселер түшүнүксүз бойдон калды. Мисалы:

• процесстер окшош болгондуктан, алардын пайда болуу шарттары бирдей болушу керек, бирок кычкылдануу дененин төмөнкү температурасында болот;
• иш-аракет жылуулук энергиясынын чоң көлөмүн чыгаруу менен коштолбойт жана жалын пайда болбойт;
• тирүү жандыктарда кеминде 75-80% суу бар, бирок бул алардагы азыктардын «күйүп кетишине» тоскоол боло албайт.

Ушул суроолордун баарына жооп берүү жана биологиялык кычкылдануу деген эмне экенин түшүнүү үчүн көп жылдар керек болду.

Процессте кычкылтек менен суутектин болушунун маанилүүлүгүн билдирген ар кандай теориялар болгон. Эң кеңири таралган жана эң ийгиликтүү болгондор:

• Бахтын теориясы, деп аталатпероксид;
• Палладин теориясы, "хромогендер" концепциясына негизделген.

Келечекте Россияда да, дүйнөнүн башка өлкөлөрүндө да биологиялык кычкылдануу деген эмне деген суроого акырындык менен толуктоолорду жана өзгөртүүлөрдү киргизген дагы көптөгөн окумуштуулар пайда болду. Заманбап биохимия, алардын эмгегинин аркасында бул процесстин ар бир реакциясы жөнүндө айтып бере алат. Бул аймактагы эң белгилүү ысымдардын арасында төмөнкүлөр бар:

• Митчелл;
• S. V. Северин;
• Варбург;
• Б. A. Belitzer;
• Ленингер;
• Б. П. Скулачев;
• Кребс;
• Жашыл;
• Б. А. Энгельхардт;
• Кайлин жана башкалар.

Биологиялык кычкылдануунун түрлөрү

Каралып жаткан процесстин эки негизги түрү бар, алар ар кандай шарттарда пайда болот. Ошентип, микроорганизмдердин жана козу карындардын көптөгөн түрлөрүндө алынган тамак-ашты айландыруунун эң кеңири таралган жолу - анаэробдук. Бул биологиялык кычкылдануу, ал кычкылтекке жетпестен жана анын кандайдыр бир формада катышуусуз ишке ашат. Ушундай эле шарттар аба кирбеген жерлерде түзүлөт: жер астында, чириген субстраттарда, ылайларда, чоподо, саздарда, жада калса космосто.

Бул кычкылдануунун башка аталышы бар - гликолиз. Бул дагы татаал жана эмгекти талап кылган, бирок энергияга бай процесстин - аэробдук трансформациянын же ткандардын дем алуусунун этаптарынын бири. Бул каралып жаткан процесстин экинчи түрү. Ал бардык аэробдук тирүү жандыктарда-гетеротрофтордо кездешет, кайсыкычкылтек дем алуу үчүн колдонулат.

Демек биологиялык кычкылдануунун түрлөрү төмөнкүдөй.

1. Гликолиз, анаэробдук жол. Кычкылтектин болушун талап кылбайт жана ачытуунун ар кандай формаларына алып келет.
2. Ткандын дем алуусу (оксиданттык фосфорлануу), же аэробдук көрүнүш. Молекулярдык кычкылтектин болушун талап кылат.

Процесстин катышуучулары

Келгиле, биологиялык кычкылдануу камтыган өзгөчөлүктөрдү карап чыгалы. Келгиле, келечекте колдоно турган негизги кошулмаларды жана алардын аббревиатураларын аныктайлы.

1. Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) - үчкарбон кислотасынын циклинин биринчи этабында пайда болгон коферменттүү оксал жана уксус кислотасынын конденсаты.
2. Кребс цикли (лимон кислотасынын цикли, трикарбон кислоталары) энергиянын бөлүнүп чыгышы, суутектин азайышы жана төмөнкү молекулярдык маанилүү продуктулардын пайда болушу менен коштолгон татаал ырааттуу редокстук трансформациялардын сериясы. Бул ката- жана анаболизмдеги негизги шилтеме.
3. NAD жана NADH - дегидрогеназа ферменти, никотинамид аденин динуклеотидди билдирет. Экинчи формула - суутек кошулган молекула. NADP - никотинамид аденин динуклеотид фосфат.
4. FAD жана FADN − флавин аденин динуклеотид - дегидрогеназалардын коферменти.
5. ATP - аденозинтрифосфор кислотасы.
6. PVC - пирожүздүү кислота же пируват.
7. Сукцинат же сукцин кислотасы, H₃PO₄− фосфор кислотасы.
8. GTP − гуанозин трифосфат, пурин нуклеотиддеринин классы.
9. ETC - электрондорду ташуу чынжыр.
10. Процесстин ферменттери: пероксидаза, оксигеназа, цитохром оксидаза, флавиндегидрогеназа, ар кандай кофермент жана башка кошулмалар.

Бул кошулмалардын баары тирүү организмдердин ткандарында (клеткаларында) пайда болгон кычкылдануу процессинин түз катышуучулары.

Биологиялык кычкылдануу стадиялары: таблица

Этап	Процесстер жана мааниси
Гликолиз	Процесстин маңызы моносахариддердин кычкылтексиз бөлүнүүсүндө жатат, ал клеткалык дем алуу процессинен мурун өтөт жана эки АТФ молекуласына барабар энергиянын чыгышы менен коштолот. Пируват да пайда болот. Бул гетеротрофтун ар кандай тирүү организминин баштапкы этабы. Митохондриянын кристаллдарына кирген жана кычкылтек менен кыртыштын кычкылданышы үчүн субстрат болуп саналган ПВХ пайда болуудагы мааниси. Анаэробдордо гликолизден кийин ар кандай типтеги ачытуу процесстери башталат.
Пируват кычкылдануусу	Бул процесс гликолиз учурунда пайда болгон ПВХнын ацетил-КоАга айланышынан турат. Ал адистештирилген фермент комплекси пируватдегидрогеназаны колдонуу менен ишке ашырылат. Натыйжада Кребс циклине кирген цетил-КоА молекулалары пайда болот. Ошол эле учурда, NAD NADH чейин кыскарган. Локализацияланган жер - митохондриялардын кристаллдары.
Бета май кислоталарынын ажырашы	Бул процесс мурункуга параллелдүү жүргүзүлөтмитохондриялык кристаллдар. Анын маңызы бардык май кислоталарын ацетил-КоАга иштетип, үчкарбон кислотасынын циклине киргизүү. Бул дагы NADH калыбына келтирет.
Кребс цикли	Ацетил-КоА лимон кислотасына айланышы менен башталат, ал андан аркы трансформацияга дуушар болот. Биологиялык кычкылданууну камтыган эң маанилүү этаптардын бири. Бул кислота төмөнкүлөргө дуушар болот: дегидрогендөө; декарбоксилдөө; регенерация. Ар бир процесс бир нече жолу жасалат. Натыйжа: GTP, көмүр кычкыл газы, NADH жана FADH 2 кыскартылган түрү. Ошол эле учурда биологиялык кычкылдануу ферменттери митохондриялык бөлүкчөлөрдүн матрицасында эркин жайгашат.
Кисденүүчү фосфорлануу	Бул эукариоттук организмдердеги кошулмалардын конверсиясынын акыркы кадамы. Бул учурда аденозиндифосфат АТФке айланат. Бул үчүн керектүү энергия мурунку этаптарда пайда болгон NADH жана FADH2 молекулаларынын кычкылдануусунан алынат. ETC боюнча ырааттуу өтүүлөр жана потенциалдардын азайышы аркылуу энергия АТФтин макроэргиялык байланыштарында түзүлөт.

Булардын баары кычкылтектин катышуусу менен биологиялык кычкылдануу менен коштолгон процесстер. Албетте, алар толугу менен сүрөттөлбөйт, бирок деталдуу сүрөттөлүшү үчүн китептин бүтүндөй бир бөлүмү керек болгондуктан, маңызы боюнча гана. Тирүү организмдердин бардык биохимиялык процесстери өтө көп кырдуу жана татаал.

Процесстин редокс реакциялары

Мисалдары жогоруда сүрөттөлгөн субстраттын кычкылдануу процесстерин чагылдыра ала турган редокс реакциялары төмөндөгүдөй.

1. Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Пируват кычкылдануусу: ПВХ + фермент=көмүр кычкыл газы + ацетальдегид. Андан кийин кийинки кадам: ацетальдегид + Коэнзим А=ацетил-КоА.
3. Кребс циклиндеги лимон кислотасынын көптөгөн удаалаш өзгөрүшү.

Мисалдары жогоруда келтирилген бул редокс реакциялары жүрүп жаткан процесстердин маңызын жалпы мааниде гана чагылдырат. Белгилүү болгондой, каралып жаткан кошулмалар же жогорку молекулалык салмакка ээ же чоң көмүртек скелетине ээ, ошондуктан баарын толук формулалар менен көрсөтүү мүмкүн эмес.

Ткандардын дем алуусунун энергия чыгаруусу

Жогорудагы сүрөттөлүштөрдөн бүт кычкылдануунун жалпы энергия чыгышын эсептөө кыйын эмес экени көрүнүп турат.

1. Гликолиз эки ATP молекуласын өндүрөт.
2. Пируват кычкылдануусу 12 ATP молекуласы.
3. лимон кислотасынын циклинде 22 молекула.

Жыйынтык: аэробдук жол аркылуу толук биологиялык кычкылдануу 36 ATP молекуласына барабар энергия чыгарууну берет. Биологиялык кычкылдануунун мааниси айдан ачык. Дал ушул энергия тирүү организмдердин жашоосуна жана иштешине, ошондой эле денесин жылытууга, кыймылга жана башка керектүү нерселерге жумшалат.

Субстраттын анаэробдук кычкылданышы

Биологиялык кычкылдануунун экинчи түрү анаэробдук. Башкача айтканда, бул ар бир адам тарабынан жүзөгө ашырылат, бирок кайсы бир түрдөгү микроорганизмдер токтоп турат. Бул гликолиз жана андан аэробдор менен анаэробдордун ортосундагы заттардын андан аркы трансформациясындагы айырмачылыктар ачык байкалат.

Бул жолдо бир нече биологиялык кычкылдануу кадамдары бар.

1. Гликолиз, башкача айтканда, глюкоза молекуласынын пируватка чейин кычкылданышы.
2. АТФ регенерациясына алып баруучу ферментация.

Ферментация катышкан организмдерге жараша ар кандай болушу мүмкүн.

Сүт кислотасын ачытуу

Сүт кислотасы бактериялары жана кээ бир козу карындар тарабынан жүргүзүлөт. Негизги линия - сүт кислотасына PVCды калыбына келтирүү. Бул процесс өнөр жайда төмөнкүнү алуу үчүн колдонулат:

• кычкыл сүт азыктары;
• ачытылган жашылчалар жана жемиштер;
• жаныбарлардын силостору.

Ачытуунун бул түрү адамдын муктаждыктарында эң көп колдонулган түрлөрүнүн бири.

Алкоголь ачытуу

Элге байыркы замандан бери белгилүү. Процесстин маңызы ПВХ эки этанол молекуласына жана эки көмүр кычкыл газына айландыруу болуп саналат. Бул продуктунун түшүмдүүлүгүнө байланыштуу ачытуунун бул түрү төмөнкүнү алуу үчүн колдонулат:

• нан;
• шарап;
• пиво;
• кондитердик азыктар жана башкалар.

Ал козу карындар, ачыткылар жана бактериялык мүнөздөгү микроорганизмдер тарабынан ишке ашырылат.

Бутирдик ачытуу

Ачытуунун өзгөчө тар түрү. Clostridium тукумундагы бактериялар тарабынан ишке ашырылат. Жыйынтык - пируваттын бутирик кислотасына айланышы, ал тамакка жагымсыз жыт жана ачуу даам берет.

Ошондуктан бул жол менен жүрүүчү биологиялык кычкылдануу реакциялары өнөр жайда иш жүзүндө колдонулбайт. Бирок, бул бактериялар тамакты өз алдынча сепип, зыян келтирип, сапатын төмөндөтөт.