Không có năng lượng, không một sinh vật nào có thể tồn tại. Suy cho cùng, mọi phản ứng hóa học, mọi quá trình đều cần đến sự hiện diện của nó. Ai cũng dễ hiểu và cảm nhận được điều này. Nếu bạn không ăn cả ngày, thì đến buổi tối, và thậm chí có thể sớm hơn, các triệu chứng mệt mỏi gia tăng, hôn mê sẽ bắt đầu, sức lực giảm đáng kể.
Các sinh vật khác nhau đã thích nghi như thế nào để thu được năng lượng? Nó đến từ đâu và những quá trình nào diễn ra bên trong tế bào? Chúng ta hãy cố gắng hiểu bài viết này.
Nhận năng lượng bởi các sinh vật
Dù sinh vật tiêu thụ năng lượng theo cách nào, ORR (phản ứng oxy hóa-khử) luôn là cơ sở. Có thể đưa ra nhiều ví dụ khác nhau. Phương trình quang hợp do cây xanh và một số vi khuẩn thực hiện cũng là OVR. Đương nhiên, các quy trình sẽ khác nhau tùy thuộc vào ý nghĩa của sinh vật.
Vì vậy, tất cả động vật đều là sinh vật dị dưỡng. Đó là, những sinh vật như vậy không có khả năng độc lập hình thành các hợp chất hữu cơ làm sẵn bên trong chúng đểchúng tiếp tục tách ra và giải phóng năng lượng của các liên kết hóa học.
Trái lại,
Thực vật là nguồn sản xuất chất hữu cơ mạnh mẽ nhất trên hành tinh của chúng ta. Chính họ là người thực hiện một quá trình phức tạp và quan trọng được gọi là quang hợp, bao gồm quá trình hình thành glucose từ nước, carbon dioxide dưới tác dụng của một chất đặc biệt - chất diệp lục. Sản phẩm phụ là oxy, là nguồn sống của tất cả các sinh vật sống hiếu khí.
Phản ứng oxy hóa khử, ví dụ minh họa quá trình này:
6CO2+ 6H2O=diệp lục=C6H10O6+ 6O2;
hoặc
carbon dioxide + hydro oxit dưới ảnh hưởng của sắc tố diệp lục (enzyme phản ứng)=monosaccharide + oxy phân tử tự do
Cũng có những đại diện như vậy của sinh khối hành tinh có thể sử dụng năng lượng của các liên kết hóa học của các hợp chất vô cơ. Chúng được gọi là sinh vật tự dưỡng. Chúng bao gồm nhiều loại vi khuẩn. Ví dụ, vi sinh vật hydro oxy hóa các phân tử cơ chất trong đất. Quá trình này diễn ra theo công thức:
Lịch sử phát triển kiến thức về quá trình oxy hóa sinh học
Quá trình làm nền tảng cho việc sản xuất năng lượng đã được biết đến nhiều ngày nay. Đây là quá trình oxy hóa sinh học. Hóa sinh đã nghiên cứu sự tinh vi và cơ chế của tất cả các giai đoạn hoạt động một cách chi tiết đến mức hầu như không còn bí ẩn nào. Tuy nhiên, điều này khôngluôn luôn.
Lần đầu tiên đề cập đến những biến đổi phức tạp nhất xảy ra bên trong cơ thể sống, đó là những phản ứng hóa học trong tự nhiên, xuất hiện vào khoảng thế kỷ 18. Vào thời điểm này, Antoine Lavoisier, nhà hóa học nổi tiếng người Pháp, đã chuyển sự chú ý của mình sang quá trình oxy hóa và đốt cháy sinh học giống nhau như thế nào. Ông đã lần ra con đường gần đúng của oxy hấp thụ trong quá trình thở và đưa ra kết luận rằng quá trình oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể, chỉ chậm hơn bên ngoài trong quá trình đốt cháy các chất khác nhau. Có nghĩa là, chất oxy hóa - các phân tử oxy - phản ứng với các hợp chất hữu cơ, và cụ thể là với hydro và cacbon từ chúng, và một sự biến đổi hoàn toàn xảy ra, kèm theo sự phân hủy của các hợp chất.
Tuy nhiên, mặc dù giả định này về cơ bản là khá thực, nhưng nhiều điều vẫn không thể hiểu được. Ví dụ:
- vì các quá trình tương tự nhau, do đó các điều kiện để xảy ra chúng phải giống nhau, nhưng quá trình oxy hóa xảy ra ở nhiệt độ cơ thể thấp;
- hành động không đi kèm với việc giải phóng một lượng nhiệt năng khổng lồ và không có sự hình thành ngọn lửa;
- sinh vật chứa ít nhất 75-80% nước, nhưng điều này không ngăn được việc "đốt cháy" các chất dinh dưỡng trong chúng.
Phải mất nhiều năm để trả lời tất cả những câu hỏi này và hiểu quá trình oxy hóa sinh học thực sự là gì.
Có những lý thuyết khác nhau ngụ ý tầm quan trọng của sự hiện diện của oxy và hydro trong quá trình này. Phổ biến nhất và thành công nhất là:
- Thuyết của Bạch, gọi làperoxide;
- Lý thuyết củaPalladin, dựa trên khái niệm "sắc tố".
Trong tương lai, có nhiều nhà khoa học hơn, ở Nga và các nước khác trên thế giới, họ dần dần bổ sung và thay đổi câu hỏi oxy hóa sinh học là gì. Hóa sinh hiện đại, nhờ vào công việc của họ, có thể cho biết về mọi phản ứng của quá trình này. Trong số những cái tên nổi tiếng nhất trong lĩnh vực này là:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin và những người khác.
Các loại oxy hóa sinh học
Có hai loại quy trình chính đang được xem xét, xảy ra trong các điều kiện khác nhau. Vì vậy, cách phổ biến nhất để chuyển đổi thức ăn nhận được ở nhiều loài vi sinh vật và nấm là kỵ khí. Đây là quá trình oxy hóa sinh học, được thực hiện mà không cần tiếp cận với oxy và không có sự tham gia của nó dưới bất kỳ hình thức nào. Các điều kiện tương tự cũng được tạo ra ở những nơi không có khả năng tiếp cận không khí: dưới lòng đất, trong chất nền thối rữa, bùn, đất sét, đầm lầy và thậm chí trong không gian.
Loại oxy hóa này có một tên gọi khác - glycolysis. Đây cũng là một trong những giai đoạn của quá trình phức tạp và tốn nhiều công sức nhưng giàu năng lượng - biến đổi hiếu khí hoặc hô hấp mô. Đây là loại quy trình thứ hai đang được xem xét. Nó xảy ra ở tất cả các sinh vật sống hiếu khí-sinh vật dị dưỡng,oxy được sử dụng để thở.
Vì vậy, các loại oxy hóa sinh học như sau.
- Glycolysis, con đường kỵ khí. Không yêu cầu sự hiện diện của oxy và dẫn đến các hình thức lên men khác nhau.
- Hô hấp mô (quá trình phosphoryl hóa oxy hóa), hoặc xem hiếu khí. Yêu cầu sự hiện diện của oxy phân tử.
Những người tham gia vào quá trình
Hãy chuyển sang việc xem xét các tính năng của quá trình oxy hóa sinh học. Hãy xác định các hợp chất chính và chữ viết tắt của chúng, chúng ta sẽ sử dụng trong tương lai.
- Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) là sự ngưng tụ của axit oxalic và axit axetic với một coenzyme, được hình thành ở giai đoạn đầu tiên của chu trình axit tricarboxylic.
- Chu trình Krebs (chu trình axit xitric, axit tricacboxylic) là một loạt các biến đổi oxy hóa khử tuần tự phức tạp kèm theo giải phóng năng lượng, khử hydro và hình thành các sản phẩm quan trọng có trọng lượng phân tử thấp. Nó là liên kết chính trong cata- và đồng hóa.
- NAD và NADH - enzym dehydrogenase, là viết tắt của nicotinamide adenine dinucleotide. Công thức thứ hai là một phân tử với một hydro gắn liền. NADP - nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.
- FAD và FADN - flavin adenine dinucleotide - coenzyme của dehydrogenase.
- ATP - axit adenosine triphosphoric.
- PVC - axit pyruvic hoặc pyruvate.
- Succinate hoặc axit succinic, H3PO4 - axit photphoric.
- GTP - guanosine triphosphate, loại nucleotide purine.
- ETC - chuỗi vận chuyển điện tử.
- Enzyme của quá trình: peroxidase, oxygenase, cytochrome oxidases, flavin dehydrogenase, các coenzyme khác nhau và các hợp chất khác.
Tất cả các hợp chất này là những người tham gia trực tiếp vào quá trình oxy hóa xảy ra trong các mô (tế bào) của cơ thể sống.
Các giai đoạn oxy hóa sinh học: bảng
| Giai đoạn | Quy trình và Ý nghĩa |
| Glycolysis | Bản chất của quá trình này nằm ở sự phân chia monosaccharide không có oxy, diễn ra trước quá trình hô hấp tế bào và kèm theo một năng lượng đầu ra bằng hai phân tử ATP. Pyruvate cũng được hình thành. Đây là giai đoạn ban đầu cho bất kỳ cơ thể sống nào của sinh vật dị dưỡng. Có ý nghĩa quan trọng trong việc hình thành PVC, đi vào các mấu của ty thể và là chất nền cho quá trình oxy hóa mô bằng oxy. Ở vi khuẩn kỵ khí, sau khi đường phân, quá trình lên men của nhiều loại khác nhau bắt đầu. |
| Pyruvate oxy hóa | Quá trình này bao gồm quá trình chuyển đổi PVC được hình thành trong quá trình đường phân thành acetyl-CoA. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng phức hợp enzym chuyên biệt pyruvate dehydrogenase. Kết quả là các phân tử cetyl-CoA đi vào chu trình Krebs. Trong cùng một quá trình, NAD bị khử thành NADH. Nơi bản địa hóa - điểm mấu chốt của ty thể. |
| Sự phân hủy axit béo beta | Quy trình này được thực hiện song song với quy trình trước trênti thể cristae. Bản chất của nó là xử lý tất cả các axit béo thành acetyl-CoA và đưa vào chu trình axit tricarboxylic. Điều này cũng khôi phục NADH. |
| chu trình Krebs |
Bắt đầu với quá trình chuyển đổi acetyl-CoA thành axit citric, sau đó sẽ trải qua quá trình biến đổi tiếp theo. Một trong những giai đoạn quan trọng nhất bao gồm quá trình oxy hóa sinh học. Axit này tiếp xúc với:
Mỗi quá trình được thực hiện nhiều lần. Kết quả: GTP, cacbon đioxit, dạng khử của NADH và FADH2. Đồng thời, các enzym oxy hóa sinh học nằm tự do trong ma trận của các phần tử ty thể. |
| Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa | Đây là bước cuối cùng trong quá trình chuyển đổi các hợp chất ở sinh vật nhân thực. Trong trường hợp này, adenosine diphosphate được chuyển thành ATP. Năng lượng cần thiết cho việc này được lấy từ quá trình oxy hóa các phân tử NADH và FADH2đã được hình thành trong các giai đoạn trước đó. Thông qua các quá trình chuyển đổi liên tiếp dọc theo ETC và sự giảm điện thế, năng lượng được kết thúc trong các liên kết macroergic của ATP. |
Đây đều là những quá trình đi kèm với quá trình oxy hóa sinh học với sự tham gia của oxy. Đương nhiên, chúng không được mô tả đầy đủ mà chỉ về bản chất, vì cần cả một chương của cuốn sách để mô tả chi tiết. Tất cả các quá trình sinh hóa của cơ thể sống đều vô cùng đa dạng và phức tạp.
Phản ứng oxy hóa khử của quá trình
Phản ứng oxy hóa khử, ví dụ có thể minh họa các quá trình oxy hóa cơ chất được mô tả ở trên, như sau.
- Glycolysis: monosaccharide (glucose) + 2NAD++ 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H++ 2H2O + NADH.
- Quá trình oxy hóa pyruvate: PVC + enzyme=carbon dioxide + acetaldehyde. Sau đó, bước tiếp theo: acetaldehyde + Coenzyme A=acetyl-CoA.
- Nhiều sự biến đổi liên tiếp của axit xitric trong chu trình Krebs.
Những phản ứng oxy hóa khử này, ví dụ được đưa ra ở trên, chỉ phản ánh bản chất của các quá trình đang diễn ra trong điều kiện chung. Được biết, các hợp chất được đề cập đều có trọng lượng phân tử cao hoặc có khung carbon lớn, vì vậy không thể biểu thị mọi thứ bằng công thức đầy đủ.
Sản lượng năng lượng của quá trình hô hấp mô
Từ các mô tả trên, rõ ràng là không khó để tính tổng năng lượng của toàn bộ quá trình oxy hóa.
- Glycolysis tạo ra hai phân tử ATP.
- Pyruvate oxy hóa 12 phân tử ATP.
- 22 phân tử mỗi chu trình axit xitric.
Điểm mấu chốt: quá trình oxy hóa sinh học hoàn toàn thông qua con đường hiếu khí tạo ra năng lượng đầu ra bằng 36 phân tử ATP. Tầm quan trọng của quá trình oxy hóa sinh học là hiển nhiên. Đó là năng lượng được sử dụng bởi các sinh vật sống cho sự sống và hoạt động, cũng như để làm ấm cơ thể, chuyển động và những thứ cần thiết khác của chúng.
Oxy hóa kỵ khí của chất nền
Loại oxy hóa sinh học thứ hai là kỵ khí. Đó là, một điều được thực hiện bởi tất cả mọi người, nhưng vi sinh vật của một số loài nhất định dừng lại. Đây là quá trình đường phân, và chính từ đó, sự khác biệt trong quá trình chuyển hóa các chất giữa vi khuẩn hiếu khí và vi khuẩn kỵ khí được tìm thấy rõ ràng.
Có rất ít bước oxy hóa sinh học dọc theo con đường này.
- Glycolysis, tức là quá trình oxy hóa phân tử glucose để nhiệt phân.
- Lên men dẫn đến tái tạo ATP.
Lên men có thể có nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào các sinh vật liên quan.
Lên men axit lactic
Được thực hiện bởi vi khuẩn axit lactic và một số loại nấm. Điểm mấu chốt là khôi phục PVC thành axit lactic. Quá trình này được sử dụng trong công nghiệp để thu được:
- sản phẩm sữa lên men;
- rau và trái cây lên men;
- silo động vật.
Loại lên men này là một trong những loại được sử dụng nhiều nhất trong nhu cầu của con người.
Lên men rượu
Được mọi người biết đến từ thời cổ đại. Bản chất của quá trình là chuyển đổi PVC thành hai phân tử etanol và hai khí cacbonic. Do năng suất sản phẩm này, loại lên men này được sử dụng để thu được:
- bánh mì;
- rượu;
- bia;
- bánh kẹo và hơn thế nữa.
Nó được thực hiện bởi nấm, men và vi sinh vật có bản chất vi khuẩn.
Lên men butyric
Một kiểu lên men khá đặc biệt. Thực hiện bởi vi khuẩn thuộc giống Clostridium. Điểm mấu chốt là sự chuyển hóa pyruvate thành axit butyric, khiến thực phẩm có mùi khó chịu và ôi thiu.
Vì vậy, phản ứng oxy hóa sinh học theo con đường này thực tế không được sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên, những vi khuẩn này tự gieo vào thực phẩm và gây hại, làm giảm chất lượng của chúng.
