Biologická oxidace. Redoxní reakce: příklady

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-15 17:22

Bez energie nemůže existovat jediná živá bytost. Koneckonců, každá chemická reakce, každý proces vyžaduje jeho přítomnost. Pro každého je snadné to pochopit a cítit. Pokud celý den nejíte jídlo, pak k večeru, a možná i dříve, začnou příznaky zvýšené únavy, letargie, síla se výrazně sníží.

Jak se různé organismy přizpůsobily k získávání energie? Odkud pochází a jaké procesy probíhají uvnitř buňky? Pokusme se porozumět tomuto článku.

Získávání energie organismy

Ať už tvorové spotřebovávají energii jakýmkoli způsobem, ORR (oxidačně-redukční reakce) jsou vždy základem. Lze uvést různé příklady. Rovnice fotosyntézy, kterou provádějí zelené rostliny a některé bakterie, je také OVR. Přirozeně se procesy budou lišit v závislosti na tom, která živá bytost je myšlena.

Všechna zvířata jsou tedy heterotrofní. Tedy takové organismy, které v sobě nejsou schopny samostatně tvořit hotové organické sloučeniny projejich další štěpení a uvolnění energie chemických vazeb.

Rostliny jsou naopak nejmocnějším producentem organické hmoty na naší planetě. Právě oni provádějí složitý a důležitý proces zvaný fotosyntéza, který spočívá ve vzniku glukózy z vody, oxidu uhličitého působením speciální látky - chlorofylu. Vedlejším produktem je kyslík, který je zdrojem života pro všechny aerobní živé bytosti.

Redoxní reakce, jejichž příklady ilustrují tento proces:

6CO₂ + 6H₂O=chlorofyl=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

nebo

oxid uhličitý + oxid vodíku pod vlivem chlorofylového pigmentu (reakčního enzymu)=monosacharid + volný molekulární kyslík

Existují i takoví zástupci biomasy planety, kteří jsou schopni využít energii chemických vazeb anorganických sloučenin. Říká se jim chemotrofy. Patří mezi ně mnoho druhů bakterií. Například vodíkové mikroorganismy, které oxidují molekuly substrátu v půdě. Proces probíhá podle vzorce:

Historie vývoje poznání biologické oxidace

Proces, který je základem výroby energie, je dnes dobře znám. Jedná se o biologickou oxidaci. Biochemie prostudovala jemnosti a mechanismy všech fází působení tak podrobně, že nezůstaly téměř žádné záhady. To však nebylovždy.

První zmínky o nejsložitějších přeměnách probíhajících uvnitř živých bytostí, což jsou chemické reakce v přírodě, se objevily kolem 18. století. Právě v této době Antoine Lavoisier, slavný francouzský chemik, obrátil svou pozornost k tomu, jak podobné jsou biologické oxidace a spalování. Sledoval přibližnou dráhu kyslíku absorbovaného při dýchání a došel k závěru, že oxidační procesy probíhají uvnitř těla, jen pomaleji než venku při spalování různých látek. To znamená, že oxidační činidlo - molekuly kyslíku - reagují s organickými sloučeninami, konkrétně s vodíkem a uhlíkem z nich, a dochází k úplné transformaci doprovázené rozkladem sloučenin.

Ačkoliv je tento předpoklad v podstatě zcela reálný, mnoho věcí zůstalo nepochopitelných. Například:

protože jsou procesy podobné, podmínky pro jejich výskyt by měly být stejné, ale oxidace nastává při nízké tělesné teplotě;
akce není doprovázena uvolněním velkého množství tepelné energie a nedochází k vytváření plamene;
živé bytosti obsahují minimálně 75–80 % vody, ale to nebrání „spalování“živin v nich.

Trvalo roky, než jsem odpověděl na všechny tyto otázky a pochopil, co je to vlastně biologická oxidace.

Existovaly různé teorie, které naznačovaly důležitost přítomnosti kyslíku a vodíku v procesu. Nejběžnější a nejúspěšnější byly:

Bachova teorie, tzvperoxid;
Palladinova teorie, založená na konceptu „chromogenů“.

V budoucnu bylo mnohem více vědců, jak v Rusku, tak v dalších zemích světa, kteří postupně přidávali a upravovali otázku, co je biologická oxidace. Moderní biochemie díky jejich práci dokáže vyprávět o každé reakci tohoto procesu. Mezi nejznámější jména v této oblasti patří:

Mitchell;
S. V. Severin;
Warburg;
B. A. Belitzer;
Leninger;
B. P. Skulachev;
Krebs;
Zelená;
B. A. Engelhardt;
Kailin a další.

Typy biologické oxidace

Existují dva hlavní typy zvažovaného procesu, které se vyskytují za různých podmínek. Nejběžnějším způsobem přeměny přijaté potravy u mnoha druhů mikroorganismů a hub je tedy anaerobní. Jedná se o biologickou oxidaci, která se provádí bez přístupu kyslíku a bez jeho účasti v jakékoli formě. Podobné podmínky se vytvářejí tam, kde není přístup vzduchu: pod zemí, v hnijících substrátech, bahnech, jílech, bažinách a dokonce i ve vesmíru.

Tento typ oxidace má jiný název – glykolýza. Je to také jedna z fází složitějšího a pracnějšího, ale energeticky bohatšího procesu – aerobní přeměny neboli tkáňového dýchání. Toto je druhý typ zvažovaného procesu. Vyskytuje se u všech aerobních živých tvorů-heterotrofů, kterékyslík se používá k dýchání.

Typy biologické oxidace jsou tedy následující.

Glykolýza, anaerobní cesta. Nevyžaduje přítomnost kyslíku a vede k různým formám fermentace.
Tkáňové dýchání (oxidační fosforylace) nebo aerobní pohled. Vyžaduje přítomnost molekulárního kyslíku.

Účastníci procesu

Přejděme k úvahám o samotných vlastnostech, které biologická oxidace obsahuje. Pojďme definovat hlavní sloučeniny a jejich zkratky, které budeme v budoucnu používat.

Acetylkoenzym-A (acetyl-CoA) je kondenzát kyseliny šťavelové a octové s koenzymem, který vzniká v první fázi cyklu trikarboxylových kyselin.
Krebsův cyklus (cyklus kyseliny citronové, trikarboxylové kyseliny) je série komplexních sekvenčních redoxních přeměn doprovázených uvolňováním energie, redukcí vodíku a tvorbou důležitých produktů s nízkou molekulovou hmotností. Je to hlavní článek v kata- a anabolismu.
NAD a NADH - enzym dehydrogenáza, znamená nikotinamid adenindinukleotid. Druhý vzorec je molekula s připojeným vodíkem. NADP - nikotinamid adenindinukleotid fosfát.
FAD a FADN − flavinadenindinukleotid - koenzym dehydrogenáz.
ATP – kyselina adenosintrifosforečná.
PVC – kyselina pyrohroznová nebo pyruvát.
Sukcinát nebo kyselina jantarová, H₃PO₄− kyselina fosforečná.
GTP − guanosintrifosfát, třída purinových nukleotidů.
ETC – řetězec přenosu elektronů.
Enzymy procesu: peroxidázy, oxygenázy, cytochromoxidázy, flavindehydrogenázy, různé koenzymy a další sloučeniny.

Všechny tyto sloučeniny jsou přímými účastníky oxidačního procesu, který probíhá v tkáních (buňkách) živých organismů.

Biologické oxidační stupně: tabulka

Stage	Procesy a význam
Glykolýza	Podstata procesu spočívá v bezkyslíkovém štěpení monosacharidů, které předchází procesu buněčného dýchání a je doprovázeno výdejem energie rovnajícím se dvěma molekulám ATP. Vzniká také pyruvát. Toto je počáteční fáze pro jakýkoli živý organismus heterotrofa. Význam při tvorbě PVC, které se dostává do mitochondrií a je substrátem pro oxidaci tkání kyslíkem. V anaerobech po glykolýze začínají fermentační procesy různých typů.
Oxidace pyruvátu	Tento proces spočívá v přeměně PVC vzniklého během glykolýzy na acetyl-CoA. Provádí se pomocí specializovaného enzymového komplexu pyruvátdehydrogenázy. Výsledkem jsou molekuly cetyl-CoA, které vstupují do Krebsova cyklu. Ve stejném procesu se NAD redukuje na NADH. Místo lokalizace - kristy mitochondrií.
Rozklad beta mastných kyselin	Tento proces se provádí souběžně s předchozímmitochondriální cristae. Jeho podstatou je zpracovat všechny mastné kyseliny na acetyl-CoA a uvést jej do cyklu trikarboxylových kyselin. Tím se také obnoví NADH.
Krebsův cyklus	Začíná přeměnou acetyl-CoA na kyselinu citrónovou, která prochází dalšími přeměnami. Jedna z nejdůležitějších fází, která zahrnuje biologickou oxidaci. Tato kyselina je vystavena: dehydrogenace; dekarboxylace; regenerace. Každý proces se provádí několikrát. Výsledek: GTP, oxid uhličitý, redukovaná forma NADH a FADH₂. Biologické oxidační enzymy jsou přitom volně umístěny v matrici mitochondriálních částic.
Oxidativní fosforylace	Toto je poslední krok v konverzi sloučenin v eukaryotických organismech. V tomto případě je adenosindifosfát přeměněn na ATP. Energie potřebná k tomu se bere z oxidace těch molekul NADH a FADH₂, které vznikly v předchozích fázích. Prostřednictvím postupných přechodů podél ETC a poklesu potenciálů je energie uzavřena v makroergických vazbách ATP.

Jsou to všechno procesy, které doprovázejí biologickou oxidaci za účasti kyslíku. Přirozeně nejsou popsány úplně, ale pouze v podstatě, protože na podrobný popis je potřeba celá kapitola knihy. Všechny biochemické procesy živých organismů jsou extrémně mnohostranné a složité.

Redoxní reakce procesu

Redoxní reakce, jejichž příklady mohou ilustrovat procesy oxidace substrátu popsané výše, jsou následující.

Glykolýza: monosacharid (glukóza) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
Oxidace pyruvátu: PVC + enzym=oxid uhličitý + acetaldehyd. Pak další krok: acetaldehyd + koenzym A=acetyl-CoA.
Mnoho po sobě jdoucích přeměn kyseliny citrónové v Krebsově cyklu.

Tyto redoxní reakce, jejichž příklady jsou uvedeny výše, odrážejí podstatu probíhajících procesů pouze obecně. Je známo, že dotyčné sloučeniny mají buď vysokou molekulovou hmotnost, nebo mají velký uhlíkový skelet, takže jednoduše není možné vyjádřit vše pomocí úplných vzorců.

Výdej energie tkáňového dýchání

Z výše uvedených popisů je zřejmé, že není těžké vypočítat celkový energetický výtěžek celé oxidace.

Glykolýza produkuje dvě molekuly ATP.
Oxidace pyruvátu 12 molekul ATP.
22 molekul na cyklus kyseliny citrónové.

Sečteno a podtrženo: úplná biologická oxidace aerobní cestou poskytuje energetický výdej rovnající se 36 molekulám ATP. Význam biologické oxidace je zřejmý. Právě tuto energii využívají živé organismy k životu a fungování, ale také k zahřívání těla, pohybu a dalším potřebným věcem.

Anaerobní oxidace substrátu

Druhý typ biologické oxidace je anaerobní. Tedy takovou, kterou provádějí všichni, ale na které se zastaví mikroorganismy určitých druhů. Toto je glykolýza a právě z ní jsou jasně vysledovány rozdíly v další přeměně látek mezi aeroby a anaeroby.

Na této cestě existuje několik biologických oxidačních kroků.

Glykolýza, tedy oxidace molekuly glukózy na pyruvát.
Fermentace vedoucí k regeneraci ATP.

Fermentace může být různých typů v závislosti na zúčastněných organismech.

Mléčná fermentace

Provádějí bakterie mléčného kvašení a některé houby. Základem je obnovit PVC na kyselinu mléčnou. Tento proces se používá v průmyslu k získání:

kvašené mléčné výrobky;
kvašená zelenina a ovoce;
sila pro zvířata.

Tento typ fermentace je jedním z nejpoužívanějších v lidských potřebách.

Alkoholové kvašení

Známý od starověku. Podstatou procesu je přeměna PVC na dvě molekuly etanolu a dva oxid uhličitý. Díky tomuto výtěžku produktu se tento typ fermentace používá k získání:

chléb;
víno;
pivo;
cukrovinky a další.

Provádějí ho houby, kvasinky a mikroorganismy bakteriální povahy.

máselná fermentace

Poněkud úzce specifický typ fermentace. Provádějí bakterie rodu Clostridium. Základem je přeměna pyruvátu na kyselinu máselnou, která dodává jídlu nepříjemný zápach a žluklou chuť.

Proto se biologické oxidační reakce následující touto cestou v průmyslu prakticky nepoužívají. Tyto bakterie však samy vysévají potravu a způsobují škody, čímž snižují jejich kvalitu.