Bez energie nemôže existovať ani jedna živá bytosť. Každá chemická reakcia, každý proces si predsa vyžaduje svoju prítomnosť. Pre každého je ľahké to pochopiť a cítiť. Ak celý deň nejete jedlo, potom k večeru a možno aj skôr sa začnú prejavovať príznaky zvýšenej únavy, letargie, výrazne sa zníži sila.
Ako sa rôzne organizmy prispôsobili získavaniu energie? Odkiaľ pochádza a aké procesy prebiehajú vo vnútri bunky? Pokúsme sa porozumieť tomuto článku.
Získavanie energie organizmami
Nezáleží na tom, akým spôsobom tvory spotrebúvajú energiu, ORR (oxidačno-redukčné reakcie) sú vždy základom. Možno uviesť rôzne príklady. Rovnica fotosyntézy, ktorú vykonávajú zelené rastliny a niektoré baktérie, je tiež OVR. Prirodzene, procesy sa budú líšiť v závislosti od toho, ktorá živá bytosť je myslená.
Všetky zvieratá sú teda heterotrofy. To znamená, že také organizmy, ktoré nie sú schopné samostatne vytvárať hotové organické zlúčeniny v sebe preich ďalšie štiepenie a uvoľnenie energie chemických väzieb.
Rastliny sú naopak najsilnejším producentom organickej hmoty na našej planéte. Práve oni vykonávajú zložitý a dôležitý proces nazývaný fotosyntéza, ktorý spočíva v tvorbe glukózy z vody, oxidu uhličitého pôsobením špeciálnej látky - chlorofylu. Vedľajším produktom je kyslík, ktorý je zdrojom života pre všetky aeróbne živé organizmy.
Redoxné reakcie, ktorých príklady ilustrujú tento proces:
6CO2 + 6H2O=chlorofyl=C6H 10O6 + 6O2;
alebo
oxid uhličitý + oxid vodíka pod vplyvom chlorofylového pigmentu (reakčného enzýmu)=monosacharid + voľný molekulárny kyslík
Sú aj takí zástupcovia biomasy planéty, ktorí sú schopní využiť energiu chemických väzieb anorganických zlúčenín. Nazývajú sa chemotrofy. Patria sem mnohé druhy baktérií. Napríklad vodíkové mikroorganizmy, ktoré oxidujú molekuly substrátu v pôde. Proces prebieha podľa vzorca:
História vývoja poznatkov o biologickej oxidácii
Proces, ktorý je základom výroby energie, je dnes dobre známy. Ide o biologickú oxidáciu. Biochémia študovala jemnosti a mechanizmy všetkých štádií pôsobenia tak podrobne, že nezostali takmer žiadne záhady. Toto však nebolovždy.
Prvé zmienky o najzložitejších premenách prebiehajúcich vo vnútri živých bytostí, ktoré sú chemickými reakciami v prírode, sa objavili okolo 18. storočia. V tom čase Antoine Lavoisier, slávny francúzsky chemik, upriamil svoju pozornosť na to, ako podobné sú biologická oxidácia a spaľovanie. Sledoval približnú cestu kyslíka absorbovaného pri dýchaní a dospel k záveru, že vo vnútri tela prebiehajú oxidačné procesy, len pomalšie ako vonku pri spaľovaní rôznych látok. To znamená, že oxidačné činidlo - molekuly kyslíka - reagujú s organickými zlúčeninami, konkrétne s vodíkom a uhlíkom z nich, a nastáva úplná transformácia sprevádzaná rozkladom zlúčenín.
Aj keď je tento predpoklad v podstate celkom reálny, veľa vecí zostalo nepochopiteľných. Napríklad:
- keďže procesy sú podobné, podmienky ich výskytu by mali byť rovnaké, ale oxidácia nastáva pri nízkej telesnej teplote;
- akcia nie je sprevádzaná uvoľnením veľkého množstva tepelnej energie a nedochádza k tvorbe plameňa;
- živé bytosti obsahujú minimálne 75-80% vody, ale to nebráni „spaľovanie“živín v nich.
Trvalo roky, kým sme odpovedali na všetky tieto otázky a pochopili, čo je to vlastne biologická oxidácia.
Existovali rôzne teórie, ktoré naznačovali dôležitosť prítomnosti kyslíka a vodíka v tomto procese. Najbežnejšie a najúspešnejšie boli:
- Bachova teória, tzvperoxid;
- Palladinova teória, založená na koncepte „chromogénov“.
V budúcnosti bolo oveľa viac vedcov v Rusku aj v iných krajinách sveta, ktorí postupne pridávali a menili otázku, čo je biologická oxidácia. Moderná biochémia vďaka svojej práci dokáže povedať o každej reakcii tohto procesu. Medzi najznámejšie mená v tejto oblasti patria:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Zelená;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin a ďalší.
Typy biologickej oxidácie
Existujú dva hlavné typy posudzovaného procesu, ktoré sa vyskytujú za rôznych podmienok. Takže najbežnejší spôsob premeny potravy prijatej v mnohých druhoch mikroorganizmov a húb je anaeróbny. Ide o biologickú oxidáciu, ktorá sa uskutočňuje bez prístupu kyslíka a bez jeho účasti v akejkoľvek forme. Podobné podmienky sa vytvárajú tam, kde nie je prístup k vzduchu: pod zemou, v hnijúcich substrátoch, bahnoch, íloch, močiaroch a dokonca aj vo vesmíre.
Tento typ oxidácie má iný názov – glykolýza. Je to tiež jedna z etáp zložitejšieho a prácnejšieho, no energeticky bohatšieho procesu – aeróbnej premeny alebo tkanivového dýchania. Toto je druhý typ posudzovaného procesu. Vyskytuje sa u všetkých aeróbnych živých tvorov-heterotrofov, ktorékyslík sa používa na dýchanie.
Takže typy biologickej oxidácie sú nasledovné.
- Glykolýza, anaeróbna cesta. Nevyžaduje prítomnosť kyslíka a vedie k rôznym formám fermentácie.
- Tkanivové dýchanie (oxidačná fosforylácia) alebo aeróbny pohľad. Vyžaduje prítomnosť molekulárneho kyslíka.
Účastníci procesu
Prejdime k úvahe o samotných vlastnostiach, ktoré biologická oxidácia obsahuje. Definujme hlavné zlúčeniny a ich skratky, ktoré budeme v budúcnosti používať.
- Acetylkoenzým-A (acetyl-CoA) je kondenzát kyseliny šťaveľovej a octovej s koenzýmom, ktorý vzniká v prvej fáze cyklu trikarboxylových kyselín.
- Krebsov cyklus (cyklus kyseliny citrónovej, trikarboxylové kyseliny) je séria komplexných sekvenčných redoxných premien sprevádzaných uvoľňovaním energie, redukciou vodíka a tvorbou dôležitých produktov s nízkou molekulovou hmotnosťou. Je to hlavný článok v kata- a anabolizme.
- NAD a NADH - enzým dehydrogenáza, znamená nikotínamid adenín dinukleotid. Druhý vzorec je molekula s pripojeným vodíkom. NADP - nikotínamid adenín dinukleotid fosfát.
- FAD a FADN − flavínadeníndinukleotid - koenzým dehydrogenáz.
- ATP – kyselina adenozíntrifosforečná.
- PVC – kyselina pyrohroznová alebo pyruvát.
- Sukcinát alebo kyselina jantárová, H3PO4− kyselina fosforečná.
- GTP − guanozíntrifosfát, trieda purínových nukleotidov.
- ETC – reťazec prenosu elektrónov.
- Enzýmy procesu: peroxidázy, oxygenázy, cytochrómoxidázy, flavíndehydrogenázy, rôzne koenzýmy a iné zlúčeniny.
Všetky tieto zlúčeniny sú priamymi účastníkmi oxidačného procesu, ktorý prebieha v tkanivách (bunkách) živých organizmov.
Biologické oxidačné stupne: tabuľka
| Stage | Procesy a význam |
| Glykolýza | Podstata procesu spočíva v bezkyslíkovom štiepení monosacharidov, ktoré predchádza procesu bunkového dýchania a je sprevádzané výdajom energie rovnajúcim sa dvom molekulám ATP. Vzniká aj pyruvát. Toto je počiatočná fáza pre akýkoľvek živý organizmus heterotrofa. Význam pri tvorbe PVC, ktoré sa dostáva do krís mitochondrií a je substrátom pre oxidáciu tkanív kyslíkom. V anaeróboch po glykolýze začínajú fermentačné procesy rôznych typov. |
| Oxidácia pyruvátu | Tento proces spočíva v premene PVC vzniknutého počas glykolýzy na acetyl-CoA. Vykonáva sa pomocou špecializovaného enzýmového komplexu pyruvátdehydrogenázy. Výsledkom sú molekuly cetyl-CoA, ktoré vstupujú do Krebsovho cyklu. V tom istom procese sa NAD redukuje na NADH. Miesto lokalizácie - mitochondrie mitochondrie. |
| Rozklad beta mastných kyselín | Tento proces prebieha súbežne s predchádzajúcimmitochondriálne cristae. Jeho podstatou je spracovať všetky mastné kyseliny na acetyl-CoA a zaradiť ho do cyklu trikarboxylových kyselín. Toto tiež obnoví NADH. |
| Krebsov cyklus |
Začína premenou acetyl-CoA na kyselinu citrónovú, ktorá prechádza ďalšími transformáciami. Jedna z najdôležitejších fáz, ktorá zahŕňa biologickú oxidáciu. Táto kyselina je vystavená:
Každý proces sa vykonáva niekoľkokrát. Výsledok: GTP, oxid uhličitý, redukovaná forma NADH a FADH2. Biologické oxidačné enzýmy sú zároveň voľne umiestnené v matrici mitochondriálnych častíc. |
| Oxidačná fosforylácia | Toto je posledný krok v konverzii zlúčenín v eukaryotických organizmoch. V tomto prípade sa adenozíndifosfát premieňa na ATP. Energia potrebná na to sa berie z oxidácie molekúl NADH a FADH2, ktoré vznikli v predchádzajúcich fázach. Prostredníctvom postupných prechodov pozdĺž ETC a poklesu potenciálov sa energia uzatvára v makroergických väzbách ATP. |
Toto všetko sú procesy, ktoré sprevádzajú biologickú oxidáciu za účasti kyslíka. Prirodzene, nie sú úplne popísané, ale len v podstate, keďže na podrobný popis je potrebná celá kapitola knihy. Všetky biochemické procesy živých organizmov sú mimoriadne mnohostranné a zložité.
Redoxné reakcie procesu
Redoxné reakcie, ktorých príklady môžu ilustrovať vyššie opísané procesy oxidácie substrátu, sú nasledovné.
- Glykolýza: monosacharid (glukóza) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Oxidácia pyruvátu: PVC + enzým=oxid uhličitý + acetaldehyd. Potom ďalší krok: acetaldehyd + koenzým A=acetyl-CoA.
- Mnoho postupných premien kyseliny citrónovej v Krebsovom cykle.
Tieto redoxné reakcie, ktorých príklady sú uvedené vyššie, odrážajú podstatu prebiehajúcich procesov len vo všeobecnosti. Je známe, že príslušné zlúčeniny majú buď vysokú molekulovú hmotnosť, alebo majú veľkú uhlíkovú kostru, takže jednoducho nie je možné vyjadriť všetko úplným vzorcom.
Výdaj energie pri tkanivovom dýchaní
Z vyššie uvedených popisov je zrejmé, že nie je ťažké vypočítať celkový energetický výťažok celej oxidácie.
- Glykolýza produkuje dve molekuly ATP.
- Oxidácia pyruvátu 12 molekúl ATP.
- 22 molekúl na cyklus kyseliny citrónovej.
Zrátané a podčiarknuté: úplná biologická oxidácia aeróbnou cestou poskytuje energetický výdaj rovnajúci sa 36 molekulám ATP. Význam biologickej oxidácie je zrejmý. Práve túto energiu využívajú živé organizmy k životu a fungovaniu, ako aj na zahrievanie tela, pohyb a ďalšie potrebné veci.
Anaeróbna oxidácia substrátu
Druhý typ biologickej oxidácie je anaeróbny. Teda taký, ktorý vykonáva každý, no na ktorom sa zastavia mikroorganizmy určitých druhov. Toto je glykolýza a práve z nej sú jasne vysledovateľné rozdiely v ďalšej transformácii látok medzi aeróbmi a anaeróbmi.
Na tejto ceste existuje niekoľko biologických oxidačných krokov.
- Glykolýza, čiže oxidácia molekuly glukózy na pyruvát.
- Fermentácia vedúca k regenerácii ATP.
Fermentácia môže byť rôznych typov v závislosti od zúčastnených organizmov.
Mliečna fermentácia
Vykonávané baktériami mliečneho kvasenia a niektorými hubami. Základom je obnoviť PVC na kyselinu mliečnu. Tento proces sa používa v priemysle na získanie:
- kvasené mliečne výrobky;
- kvasená zelenina a ovocie;
- zvieracie silá.
Tento typ fermentácie je jedným z najpoužívanejších v ľudských potrebách.
Alkoholové kvasenie
Ľuďom známy už od staroveku. Podstatou procesu je premena PVC na dve molekuly etanolu a dva oxid uhličitý. Vďaka tomuto výťažku produktu sa tento typ fermentácie používa na získanie:
- chlieb;
- wine;
- pivo;
- cukrovinky a ďalšie.
Vykonávajú ho huby, kvasinky a mikroorganizmy bakteriálnej povahy.
Maslová fermentácia
Pomerne úzko špecifický typ fermentácie. Vykonávané baktériami rodu Clostridium. Základom je premena pyruvátu na kyselinu maslovú, ktorá dodáva jedlu nepríjemný zápach a zatuchnutú chuť.
Preto sa biologické oxidačné reakcie po tejto ceste v priemysle prakticky nepoužívajú. Tieto baktérie však samy osejú potravu a spôsobujú škody, čím znižujú ich kvalitu.
