Bioloji oksidləşmə. Redoks reaksiyaları: nümunələr

2024 Müəllif: Angel Austin | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-15 17:20

Enerji olmadan heç bir canlı mövcud ola bilməz. Axı, hər bir kimyəvi reaksiya, hər bir proses onun mövcudluğunu tələb edir. Bunu başa düşmək və hiss etmək hər kəs üçün asandır. Əgər bütün gün yemək yeməsəniz, axşama yaxın və bəlkə də daha tez bir zamanda artan yorğunluq, süstlük əlamətləri başlayacaq, güc əhəmiyyətli dərəcədə azalacaq.

Müxtəlif orqanizmlər enerji əldə etmək üçün necə uyğunlaşıb? O, haradan gəlir və hüceyrə daxilində hansı proseslər baş verir? Gəlin bu məqaləni anlamağa çalışaq.

Orqanizmlər tərəfindən enerji alınması

Məxluqların enerji istehlakı nə olursa olsun, ORR (oksidləşmə-reduksiya reaksiyaları) həmişə əsasdır. Müxtəlif misallar göstərmək olar. Yaşıl bitkilər və bəzi bakteriyalar tərəfindən həyata keçirilən fotosintez tənliyi də OVR-dir. Təbii ki, proseslər hansı canlının nəzərdə tutulduğundan asılı olaraq fərqli olacaq.

Deməli, bütün heyvanlar heterotrofdur. Yəni, öz daxilində müstəqil olaraq hazır üzvi birləşmələr əmələ gətirə bilməyən orqanizmləronların daha da parçalanması və kimyəvi bağların enerjisinin sərbəst buraxılması.

Bitkilər, əksinə, planetimizdə üzvi maddələrin ən güclü istehsalçısıdır. Xüsusi bir maddənin - xlorofilin təsiri altında sudan, karbon qazından qlükoza əmələ gəlməsindən ibarət olan fotosintez adlı mürəkkəb və vacib bir prosesi həyata keçirən onlardır. Əlavə məhsul bütün aerob canlılar üçün həyat mənbəyi olan oksigendir.

Redoks reaksiyaları, nümunələri bu prosesi göstərir:

6CO₂ + 6H₂O=xlorofil=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

və ya

xlorofil piqmentinin təsiri altında karbon qazı + hidrogen oksidi (reaksiya fermenti)=monosaxarid + sərbəst molekulyar oksigen

Planetin biokütləsinin qeyri-üzvi birləşmələrin kimyəvi bağlarının enerjisindən istifadə etməyə qadir olan belə nümayəndələri də var. Onlara kemotroflar deyilir. Bunlara bir çox bakteriya növləri daxildir. Məsələn, torpaqda substrat molekullarını oksidləşdirən hidrogen mikroorqanizmləri. Proses düstura uyğun olaraq baş verir:

Bioloji oksidləşmə haqqında biliklərin inkişaf tarixi

Enerji istehsalının əsasını təşkil edən proses bu gün yaxşı məlumdur. Bu bioloji oksidləşmədir. Biokimya bütün fəaliyyət mərhələlərinin incəliklərini və mexanizmlərini elə təfərrüatı ilə öyrənib ki, demək olar ki, heç bir sirr qalmayıb. Lakin, bu deyildihəmişə.

Təbiətdəki kimyəvi reaksiyalar olan canlıların daxilində baş verən ən mürəkkəb çevrilmələrin ilk qeydi təxminən 18-ci əsrdə ortaya çıxdı. Məhz bu zaman məşhur fransız kimyaçısı Antuan Lavuazye diqqətini bioloji oksidləşmə və yanmanın nə qədər oxşar olduğuna yönəltdi. O, tənəffüs zamanı udulmuş oksigenin təxmini yolunu izlədi və belə nəticəyə gəldi ki, müxtəlif maddələrin yanması zamanı bədən daxilində oksidləşmə prosesləri xaricdən daha yavaş baş verir. Yəni, oksidləşdirici maddə - oksigen molekulları - üzvi birləşmələrlə, xüsusən də onlardan olan hidrogen və karbonla reaksiyaya girir və birləşmələrin parçalanması ilə müşayiət olunan tam transformasiya baş verir.

Lakin bu fərziyyə mahiyyətcə olduqca real olsa da, çox şey anlaşılmaz olaraq qaldı. Məsələn:

• proseslər oxşar olduğundan, onların baş vermə şərtləri eyni olmalıdır, lakin oksidləşmə aşağı bədən temperaturunda baş verir;
• hərəkət böyük miqdarda istilik enerjisinin buraxılması ilə müşayiət olunmur və alov əmələ gəlmir;
• canlılar ən azı 75-80% su ehtiva edir, lakin bu, onlarda olan qida maddələrinin "yanmasına" mane olmur.

Bütün bu suallara cavab vermək və bioloji oksidləşmənin əslində nə olduğunu başa düşmək illər çəkdi.

Prosesdə oksigen və hidrogenin mövcudluğunun vacibliyini nəzərdə tutan müxtəlif nəzəriyyələr var idi. Ən çox yayılmış və ən uğurluları bunlar idi:

• Baxın nəzəriyyəsi adlanırperoksid;
• Palladinin nəzəriyyəsi, "xromogenlər" anlayışına əsaslanır.

Gələcəkdə həm Rusiyada, həm də dünyanın digər ölkələrində bioloji oksidləşmənin nə olduğu sualına tədricən əlavələr və dəyişikliklər edən daha çox alimlər var idi. Müasir biokimya, onların işi sayəsində bu prosesin hər bir reaksiyası haqqında məlumat verə bilər. Bu sahədə ən məşhur adlar arasında aşağıdakılar var:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulaçev;
• Krebs;
• Yaşıl;
• B. A. Engelhardt;
• Kailin və başqaları.

Bioloji oksidləşmə növləri

Nəzərdən keçirilən prosesin müxtəlif şərtlərdə baş verən iki əsas növü var. Beləliklə, bir çox mikroorqanizm və göbələk növündə qəbul edilən qidanın çevrilməsinin ən çox yayılmış yolu anaerobdur. Bu, oksigenə çıxış olmadan və heç bir formada iştirakı olmadan həyata keçirilən bioloji oksidləşmədir. Oxşar şərait havaya çıxış olmayan yerlərdə yaradılır: yer altı, çürüyən substratlarda, lillərdə, gillərdə, bataqlıqlarda və hətta kosmosda.

Bu tip oksidləşmənin başqa adı var - qlikoliz. Bu, həm də daha mürəkkəb və zəhmət tələb edən, lakin enerji baxımından zəngin bir prosesin - aerob transformasiya və ya toxuma tənəffüsünün mərhələlərindən biridir. Bu, nəzərdən keçirilən ikinci proses növüdür. Bütün aerob canlılarda - heterotroflarda oluroksigen nəfəs almaq üçün istifadə olunur.

Beləliklə, bioloji oksidləşmənin növləri aşağıdakılardır.

1. Qlikoliz, anaerob yol. Oksigenin olmasını tələb etmir və müxtəlif fermentasiya formaları ilə nəticələnir.
2. Toxuma tənəffüsü (oksidləşdirici fosforlaşma) və ya aerob görünüş. Molekulyar oksigenin olmasını tələb edir.

Prosesin iştirakçıları

Gəlin bioloji oksidləşmənin özündə olan xüsusiyyətlərin nəzərdən keçirilməsinə keçək. Gələcəkdə istifadə edəcəyimiz əsas birləşmələri və onların abreviaturalarını müəyyən edək.

1. Asetilkoenzim-A (asetil-KoA) trikarboksilik turşu dövrünün birinci mərhələsində əmələ gələn oksalik və sirkə turşusunun koenzimli kondensatıdır.
2. Krebs dövrü (limon turşusu dövrü, trikarboksilik turşular) enerjinin sərbəst buraxılması, hidrogenin azalması və mühüm aşağı molekulyar çəkili məhsulların əmələ gəlməsi ilə müşayiət olunan kompleks ardıcıl redoks çevrilmələr seriyasıdır. Bu, kata- və anabolizmdə əsas əlaqədir.
3. NAD və NADH - dehidrogenaz fermenti, nikotinamid adenin dinukleotidi deməkdir. İkinci düstur isə hidrogenə bağlanmış bir molekuldur. NADP - nikotinamid adenin dinukleotid fosfat.
4. FAD və FADN − flavin adenin dinukleotid - dehidrogenazların koenzimi.
5. ATP - adenozin trifosfor turşusu.
6. PVC - piruvik turşu və ya piruvat.
7. Süksinat və ya süksin turşusu, H₃PO₄− fosfor turşusu.
8. GTP − guanozin trifosfat, purin nukleotidlər sinfi.
9. ETC - elektron nəqli zənciri.
10. Prosesin fermentləri: peroksidazlar, oksigenazlar, sitoxrom oksidazlar, flavin dehidrogenazlar, müxtəlif koenzimlər və digər birləşmələr.

Bütün bu birləşmələr canlı orqanizmlərin toxumalarında (hüceyrələrində) baş verən oksidləşmə prosesinin birbaşa iştirakçılarıdır.

Bioloji oksidləşmə mərhələləri: cədvəl

Mərhələ	Proseslər və Məna
Qlikoliz	Prosesin mahiyyəti hüceyrə tənəffüsü prosesindən əvvəl gedən və iki ATP molekuluna bərabər enerji çıxışı ilə müşayiət olunan monosaxaridlərin oksigensiz parçalanmasındadır. Piruvat da əmələ gəlir. Bu, heterotrofun hər hansı bir canlı orqanizmi üçün ilkin mərhələdir. Mitoxondrilərin kristallarına daxil olan və oksigenlə toxuma oksidləşməsi üçün substrat olan PVC-nin əmələ gəlməsində əhəmiyyəti. Anaeroblarda qlikolizdən sonra müxtəlif növ fermentasiya prosesləri başlayır.
Piruvat oksidləşməsi	Bu proses qlikoliz zamanı əmələ gələn PVC-nin asetil-KoA-ya çevrilməsindən ibarətdir. Xüsusi bir ferment kompleksi olan piruvat dehidrogenazdan istifadə etməklə həyata keçirilir. Nəticə Krebs dövrünə daxil olan setil-CoA molekullarıdır. Eyni prosesdə NAD NADH-ə endirilir. Lokalizasiya yeri - mitoxondrilərin kristalası.
Beta yağ turşularının parçalanması	Bu proses əvvəlki ilə paralel olaraq həyata keçirilirmitoxondrial kristallar. Onun mahiyyəti bütün yağ turşularını asetil-KoA-ya emal etmək və onu trikarboksilik turşu dövrünə daxil etməkdir. Bu, həmçinin NADH-ni bərpa edir.
Krebs dövrü	Asetil-KoA-nın limon turşusuna çevrilməsi ilə başlayır, daha sonra transformasiyalara məruz qalır. Bioloji oksidləşməni ehtiva edən ən vacib mərhələlərdən biridir. Bu turşuya məruz qalır: dehidrogenləşmə; dekarboksilləşmə; regenerasiya. Hər bir proses bir neçə dəfə edilir. Nəticə: GTP, karbon dioksid, azaldılmış NADH forması və FADH2. Eyni zamanda, bioloji oksidləşmə fermentləri mitoxondrial hissəciklərin matrisində sərbəst şəkildə yerləşir.
Oksidativ fosforlaşma	Bu, eukaryotik orqanizmlərdə birləşmələrin çevrilməsində son addımdır. Bu vəziyyətdə adenozin difosfat ATP-yə çevrilir. Bunun üçün lazım olan enerji əvvəlki mərhələlərdə əmələ gələn NADH və FADH2 molekullarının oksidləşməsindən alınır. ETC boyunca ardıcıl keçidlər və potensialların azalması ilə enerji ATP-nin makroergik bağlarında bağlanır.

Bunların hamısı oksigenin iştirakı ilə bioloji oksidləşməni müşayiət edən proseslərdir. Təbii ki, onlar tam təsvir olunmur, ancaq mahiyyət etibarilə, ətraflı təsvir üçün kitabın bütün fəslinə ehtiyac olduğu üçün. Canlı orqanizmlərin bütün biokimyəvi prosesləri son dərəcə çoxşaxəli və mürəkkəbdir.

Prosesin redoks reaksiyaları

Nümunələri yuxarıda təsvir edilən substratın oksidləşməsi proseslərini təsvir edə bilən redoks reaksiyaları aşağıdakılardır.

1. Qlikoliz: monosaxarid (qlükoza) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Piruvat oksidləşməsi: PVC + ferment=karbon dioksid + asetaldehid. Sonra növbəti addım: asetaldehid + Koenzim A=asetil-KoA.
3. Krebs siklində limon turşusunun bir çox ardıcıl çevrilməsi.

Yuxarıda nümunələri verilmiş bu redoks reaksiyaları yalnız ümumi mənada gedən proseslərin mahiyyətini əks etdirir. Məlumdur ki, sözügedən birləşmələr ya yüksək molekulyar çəkiyə malikdir, ya da böyük karbon skeletinə malikdir, ona görə də hər şeyi tam düsturlarla təmsil etmək sadəcə olaraq mümkün deyil.

Toxuma tənəffüsünün enerji çıxışı

Yuxarıdakı təsvirlərdən aydın olur ki, bütün oksidləşmənin ümumi enerji məhsuldarlığını hesablamaq çətin deyil.

1. Qlikoliz iki ATP molekulu istehsal edir.
2. Piruvat oksidləşməsi 12 ATP molekulu.
3. limon turşusu dövrü üçün 22 molekul.

Aşağı xətt: aerob yol vasitəsilə tam bioloji oksidləşmə 36 ATP molekuluna bərabər enerji çıxışı verir. Bioloji oksidləşmənin əhəmiyyəti göz qabağındadır. Məhz bu enerji canlı orqanizmlər tərəfindən həyat və fəaliyyət üçün, həmçinin bədənlərini qızdırmaq, hərəkət etmək və digər zəruri şeylər üçün istifadə olunur.

Substratın anaerob oksidləşməsi

İkinci növ bioloji oksidləşmə anaerobdur. Yəni, hər kəs tərəfindən həyata keçirilir, lakin müəyyən növlərin mikroorqanizmləri dayanır. Bu, qlikolizdir və aeroblar və anaeroblar arasında maddələrin sonrakı çevrilməsindəki fərqlər aydın şəkildə izlənilir.

Bu yolda bir neçə bioloji oksidləşmə mərhələsi var.

1. Qlikoliz, yəni qlükoza molekulunun piruvata oksidləşməsi.
2. ATP regenerasiyasına səbəb olan fermentasiya.

Fermentasiya iştirak edən orqanizmlərdən asılı olaraq müxtəlif növ ola bilər.

Süd turşusu fermentasiyası

Laktik turşu bakteriyaları və bəzi göbələklər tərəfindən həyata keçirilir. Nəticə PVC-ni laktik turşuya qaytarmaqdır. Bu proses sənayedə aşağıdakıları əldə etmək üçün istifadə olunur:

• fermentləşdirilmiş süd məhsulları;
• mayalanmış tərəvəz və meyvələr;
• heyvan silosları.

Bu fermentasiya növü insan ehtiyaclarında ən çox istifadə edilənlərdən biridir.

Alkoqol fermentasiyası

İnsanlara qədim zamanlardan məlumdur. Prosesin mahiyyəti PVC-nin iki etanol molekuluna və iki karbon qazına çevrilməsidir. Bu məhsul məhsuldarlığına görə, bu növ fermentasiya əldə etmək üçün istifadə olunur:

• çörək;
• şərab;
• pivə;
• şirniyyat və s.

Göbələklər, mayalar və bakterial təbiətli mikroorqanizmlər tərəfindən həyata keçirilir.

Butirik fermentasiya

Keyfiyyətcə dar spesifik fermentasiya növü. Clostridium cinsinin bakteriyaları tərəfindən həyata keçirilir. Nəticə, piruvatın butir turşusuna çevrilməsidir ki, bu da yeməyə xoşagəlməz qoxu və acı dad verir.

Ona görə də bu yolla gedən bioloji oksidləşmə reaksiyaları sənayedə praktiki olaraq istifadə edilmir. Bununla belə, bu bakteriyalar qidanı özbaşına əkir və keyfiyyətini aşağı salaraq zərər verir.