Bila nishati, hakuna kiumbe hai kimoja kinachoweza kuwepo. Baada ya yote, kila mmenyuko wa kemikali, kila mchakato unahitaji uwepo wake. Ni rahisi kwa mtu yeyote kuelewa na kuhisi hili. Ikiwa hutakula chakula siku nzima, basi jioni, na ikiwezekana hata mapema, dalili za kuongezeka kwa uchovu, uchovu utaanza, nguvu zitapungua kwa kiasi kikubwa.
Je, viumbe mbalimbali vimejirekebisha vipi ili kupata nishati? Inatoka wapi na ni michakato gani hufanyika ndani ya seli? Hebu jaribu kuelewa makala hii.
Kupata nishati kwa viumbe
Vyovyote vile viumbe hutumia nishati, ORR (athari za kupunguza oksidi) huwa msingi kila wakati. Mifano mbalimbali inaweza kutolewa. Equation ya photosynthesis, ambayo inafanywa na mimea ya kijani na baadhi ya bakteria, pia ni OVR. Kwa kawaida, taratibu zitatofautiana kulingana na kile kiumbe hai kinakusudiwa.
Kwa hivyo, wanyama wote ni heterotrophs. Hiyo ni, viumbe vile ambavyo haviwezi kujitegemea kuunda misombo ya kikaboni iliyopangwa tayari ndani yao wenyewekugawanyika kwao zaidi na kutolewa kwa nishati ya vifungo vya kemikali.
Mimea, kinyume chake, ndiyo mzalishaji mkuu wa viumbe hai kwenye sayari yetu. Ni wao ambao hufanya mchakato mgumu na muhimu unaoitwa photosynthesis, ambayo inajumuisha malezi ya glucose kutoka kwa maji, dioksidi kaboni chini ya hatua ya dutu maalum - klorophyll. Bidhaa ya ziada ni oksijeni, ambayo ni chanzo cha maisha kwa viumbe vyote vilivyo hai.
Miitikio ya redox, mifano ambayo inaonyesha mchakato huu:
6CO2 + 6H2O=chlorophyll=C6H 10O6 + 6O2;
au
kaboni dioksidi + oksidi hidrojeni kwa kuathiriwa na rangi ya klorofili (kimeng'enya cha mmenyuko)=monosaccharide + oksijeni isiyolipishwa ya molekuli
Pia kuna wawakilishi kama hao wa biomasi ya sayari ambao wanaweza kutumia nishati ya vifungo vya kemikali vya misombo isokaboni. Wanaitwa chemotrophs. Hizi ni pamoja na aina nyingi za bakteria. Kwa mfano, vijidudu vya hidrojeni ambavyo huongeza oksidi ya molekuli za substrate kwenye udongo. Mchakato unafanyika kulingana na formula:
Historia ya ukuzaji wa maarifa ya uoksidishaji wa kibayolojia
Mchakato ambao ni msingi wa uzalishaji wa nishati unajulikana leo. Hii ni oxidation ya kibiolojia. Biokemia imesoma hila na taratibu za hatua zote za hatua kwa undani sana kwamba karibu hakuna siri zilizobaki. Walakini, haikuwa hivyokila mara.
Kutajwa kwa mara ya kwanza kwa mabadiliko changamano zaidi yanayotokea ndani ya viumbe hai, ambayo ni athari za kemikali katika asili, ilionekana karibu karne ya 18. Ilikuwa wakati huu ambapo Antoine Lavoisier, mwanakemia maarufu wa Kifaransa, alielekeza mawazo yake kwa jinsi oxidation ya kibaolojia na mwako ni sawa. Alifuatilia njia ya takriban ya oksijeni iliyoingizwa wakati wa kupumua na akafikia hitimisho kwamba michakato ya oxidation hutokea ndani ya mwili, polepole tu kuliko nje wakati wa mwako wa vitu mbalimbali. Hiyo ni, wakala wa vioksidishaji - molekuli za oksijeni - huguswa na misombo ya kikaboni, na hasa, na hidrojeni na kaboni kutoka kwao, na mabadiliko kamili hutokea, ikifuatana na mtengano wa misombo.
Hata hivyo, ingawa dhana hii kimsingi ni halisi, mambo mengi yalisalia kutoeleweka. Kwa mfano:
- kwa kuwa michakato inafanana, basi hali ya kutokea kwao inapaswa kufanana, lakini oxidation hutokea kwa joto la chini la mwili;
- kitendo hakiambatani na kutolewa kwa kiwango kikubwa cha nishati ya joto na hakuna uundaji wa mwali;
- viumbe hai vina angalau 75-80% ya maji, lakini hii haizuii "kuungua" kwa virutubisho ndani yao.
Ilichukua miaka kujibu maswali haya yote na kuelewa oksidi ya kibiolojia ni nini hasa.
Kulikuwa na nadharia tofauti zilizoashiria umuhimu wa kuwepo kwa oksijeni na hidrojeni katika mchakato. Ya kawaida na yenye mafanikio zaidi yalikuwa:
- Nadharia ya Bach, inayoitwaperoksidi;
- Nadharia ya Palladin, kulingana na dhana ya "chromojeni".
Katika siku zijazo, kulikuwa na wanasayansi wengi zaidi, nchini Urusi na nchi zingine za ulimwengu, ambao polepole walifanya nyongeza na mabadiliko kwa swali la oxidation ya kibaolojia ni nini. Biokemia ya kisasa, shukrani kwa kazi yao, inaweza kusema juu ya kila mmenyuko wa mchakato huu. Miongoni mwa majina maarufu katika eneo hili ni haya yafuatayo:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Kijani;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin na wengine.
Aina za uoksidishaji wa kibiolojia
Kuna aina mbili kuu za mchakato unaozingatiwa, ambao hutokea chini ya hali tofauti. Kwa hivyo, njia ya kawaida ya kubadilisha chakula kilichopokelewa katika aina nyingi za microorganisms na fungi ni anaerobic. Hii ni oxidation ya kibiolojia, ambayo hufanyika bila upatikanaji wa oksijeni na bila ushiriki wake kwa namna yoyote. Hali sawia huundwa mahali ambapo hakuna ufikiaji wa hewa: chini ya ardhi, katika sehemu ndogo zinazooza, matope, udongo, vinamasi na hata angani.
Aina hii ya oksidi ina jina lingine - glycolysis. Pia ni moja ya hatua za mchakato ngumu zaidi na wa utumishi, lakini wenye nguvu - mabadiliko ya aerobic au kupumua kwa tishu. Hii ni aina ya pili ya mchakato unaozingatiwa. Inatokea katika viumbe hai vyote vya aerobic-heterotrophs, ambayooksijeni hutumika kupumua.
Kwa hivyo aina za oksidi ya kibiolojia ni kama ifuatavyo.
- Glycolysis, njia ya anaerobic. Haihitaji uwepo wa oksijeni na husababisha aina mbalimbali za uchachishaji.
- Upumuaji wa tishu (fosforasi ya oksidi), au mwonekano wa aerobiki. Inahitaji uwepo wa oksijeni ya molekuli.
Washiriki katika mchakato
Hebu tuendelee kwenye uzingatiaji wa vipengele vilivyomo katika oksidi ya kibaolojia. Hebu tufafanue misombo kuu na vifupisho vyake, ambavyo tutatumia siku zijazo.
- Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) ni mchanganyiko wa asidi oxaliki na asetiki yenye kimeng'enya, kilichoundwa katika hatua ya kwanza ya mzunguko wa asidi tricarboxylic.
- Mzunguko wa Krebs (mzunguko wa asidi ya citric, asidi tricarboxylic) ni mfululizo wa mageuzi changamano changamano ya redoksi yanayoambatana na kutolewa kwa nishati, upunguzaji wa hidrojeni, na uundaji wa bidhaa muhimu zenye uzito wa chini wa molekuli. Ni kiungo kikuu katika cata- na anabolism.
- NAD na NADH - kimeng'enya cha dehydrogenase, huwakilisha nicotinamide adenine dinucleotide. Njia ya pili ni molekuli yenye hidrojeni iliyounganishwa. NADP - nikotinamide adenine dinucleotide fosfati.
- FAD na FADN − flavin adenine dinucleotide - coenzyme of dehydrogenases.
- ATP - adenosine triphosphoric acid.
- PVC - asidi ya pyruvic au pyruvate.
- Succinate au succinic acid, H3PO4− asidi ya fosforasi.
- GTP − guanosine trifosfati, darasa la nyukleotidi za purine.
- ETC - mnyororo wa usafiri wa elektroni.
- Enzymes za mchakato: peroxidasi, oksijeniases, oxidasi za cytochrome, dehydrogenases za flavin, coenzymes mbalimbali na misombo mingine.
Michanganyiko hii yote ni washiriki wa moja kwa moja katika mchakato wa uoksidishaji unaotokea kwenye tishu (seli) za viumbe hai.
Hatua za uoksidishaji wa kibayolojia: jedwali
| Jukwaa | Taratibu na Maana |
| Glycolysis | Kiini cha mchakato huo kimo katika mgawanyiko usio na oksijeni wa monosakaridi, ambao hutangulia mchakato wa kupumua kwa seli na huambatana na utoaji wa nishati sawa na molekuli mbili za ATP. Pyruvate pia huundwa. Hii ni hatua ya awali kwa kiumbe chochote kilicho hai cha heterotroph. Umuhimu katika malezi ya PVC, ambayo huingia kwenye cristae ya mitochondria na ni substrate ya oxidation ya tishu na oksijeni. Katika anaerobes, baada ya glycolysis, michakato ya uchachushaji ya aina mbalimbali huanza. |
| Oxidation ya Pyruvate | Mchakato huu unajumuisha ubadilishaji wa PVC iliyoundwa wakati wa glycolysis kuwa asetili-CoA. Inafanywa kwa kutumia enzyme maalum ya pyruvate dehydrogenase. Matokeo yake ni molekuli za cetyl-CoA zinazoingia kwenye mzunguko wa Krebs. Katika mchakato huo huo, NAD imepunguzwa hadi NADH. Mahali pa ujanibishaji - cristae ya mitochondria. |
| Mchanganuo wa asidi ya mafuta ya beta | Mchakato huu unafanywa sambamba na ule wa awali kwenyecristae ya mitochondrial. Kiini chake ni kusindika asidi zote za mafuta ndani ya acetyl-CoA na kuiweka kwenye mzunguko wa asidi ya tricarboxylic. Hii pia hurejesha NADH. |
| Mzunguko wa Krebs |
Inaanza kwa ubadilishaji wa asetili-CoA hadi asidi ya citric, ambayo ina mabadiliko zaidi. Moja ya hatua muhimu zaidi ni pamoja na oxidation ya kibiolojia. Asidi hii inakabiliwa na:
Kila mchakato hufanywa mara kadhaa. Matokeo: GTP, dioksidi kaboni, aina iliyopunguzwa ya NADH na FADH2. Wakati huo huo, vimeng'enya vya oksidi ya kibiolojia vinapatikana kwa uhuru katika tumbo la chembe za mitochondrial. |
| Phosphorylation ya oksidi | Hii ni hatua ya mwisho ya ubadilishaji wa misombo katika viumbe vya yukariyoti. Katika kesi hii, adenosine diphosphate inabadilishwa kuwa ATP. Nishati inayohitajika kwa hili inachukuliwa kutoka kwa uoksidishaji wa molekuli za NADH na FADH2 ambazo ziliundwa katika hatua za awali. Kupitia mabadiliko yanayofuatana kwenye ETC na kupungua kwa uwezo, nishati huhitimishwa katika vifungo vikubwa vya ATP. |
Hizi zote ni michakato inayoambatana na uoksidishaji wa kibayolojia na ushiriki wa oksijeni. Kwa kawaida, hazijaelezewa kikamilifu, lakini kwa asili tu, kwani sura nzima ya kitabu inahitajika kwa maelezo ya kina. Michakato yote ya kibiokemikali ya viumbe hai ina pande nyingi sana na changamano.
Miitikio ya mchakato upya
Miitikio ya redoksi, mifano ambayo inaweza kuonyesha michakato ya uoksidishaji wa substrate iliyoelezwa hapo juu, ni kama ifuatavyo.
- Glycolysis: monosaccharide (glucose) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Uoksidishaji wa pyruvate: PVC + kimeng'enya=kaboni dioksidi + asetaldehidi. Kisha hatua inayofuata: asetaldehyde + Coenzyme A=acetyl-CoA.
- Mabadiliko mengi mfululizo ya asidi ya citric katika mzunguko wa Krebs.
Miitikio hii ya redoksi, mifano ambayo imetolewa hapo juu, inaonyesha kiini cha michakato inayoendelea kwa maneno ya jumla pekee. Inajulikana kuwa michanganyiko inayozungumziwa ni uzito mkubwa wa molekuli au ina mifupa mikubwa ya kaboni, kwa hivyo haiwezekani kuwakilisha kila kitu kwa fomula kamili.
Pato la nishati ya kupumua kwa tishu
Kutokana na maelezo hapo juu, ni dhahiri kuwa si vigumu kukokotoa jumla ya mavuno ya nishati ya oksidi yote.
- Glycolysis huzalisha molekuli mbili za ATP.
- Oxidation ya Pyruvate 12 molekuli za ATP.
- 22 molekuli kwa kila mzunguko wa asidi ya citric.
Jambo la chini: uoksidishaji kamili wa kibayolojia kupitia njia ya aerobiki hutoa pato la nishati sawa na molekuli 36 za ATP. Umuhimu wa oxidation ya kibiolojia ni dhahiri. Nishati hii ndiyo inayotumiwa na viumbe hai kwa maisha na utendaji kazi, na pia kupasha joto miili yao, harakati na vitu vingine muhimu.
Uoksidishaji wa anaerobic wa substrate
Aina ya pili ya oksidi ya kibiolojia ni anaerobic. Hiyo ni, moja ambayo inafanywa na kila mtu, lakini ambayo microorganisms ya aina fulani huacha. Hii ni glycolysis, na ni kutokana nayo kwamba tofauti za mabadiliko zaidi ya dutu kati ya aerobes na anaerobes zinafuatiliwa kwa uwazi.
Kuna hatua chache za uoksidishaji wa kibiolojia kwenye njia hii.
- Glycolysis, yaani, uoksidishaji wa molekuli ya glukosi hadi pyruvate.
- Uchachu unaopelekea ATP kuzaliwa upya.
Uchachushaji unaweza kuwa wa aina tofauti, kulingana na viumbe vinavyohusika.
Uchachushaji wa asidi ya lactic
Huenezwa na bakteria ya lactic acid na baadhi ya fangasi. Jambo la msingi ni kurejesha PVC kwa asidi ya lactic. Mchakato huu unatumika katika tasnia kupata:
- bidhaa za maziwa yaliyochachushwa;
- mboga na matunda yaliyochachushwa;
- maghala ya wanyama.
Aina hii ya uchachushaji ni mojawapo ya mahitaji ya binadamu.
Uchachushaji wa pombe
Inajulikana kwa watu tangu zamani. Kiini cha mchakato ni ubadilishaji wa PVC kuwa molekuli mbili za ethanol na dioksidi kaboni mbili. Kutokana na mavuno ya bidhaa hii, aina hii ya uchachushaji hutumika kupata:
- mkate;
- mvinyo;
- bia;
- confectionery na zaidi.
Hufanywa na fangasi, chachu na vijidudu vya asili ya bakteria.
Uchachushaji wa butyric
Aina maalum kidogo ya uchachishaji. Hufanywa na bakteria wa jenasi Clostridium. Jambo la msingi ni ubadilishaji wa pyruvate hadi asidi ya butyric, ambayo hupa chakula harufu mbaya na ladha ya rancid.
Kwa hivyo, miitikio ya oksidi ya kibayolojia inayofuata njia hii kwa kweli haitumiki katika tasnia. Hata hivyo, bakteria hawa hupanda chakula wao wenyewe na kusababisha madhara, na hivyo kupunguza ubora wao.
