Vai trò hàng đầu của năng lượng trong quá trình trao đổi chất phụ thuộc vào quá trình, bản chất của nó là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Các chất dinh dưỡng bị oxy hóa, do đó tạo thành năng lượng mà cơ thể dự trữ trong ty thể của tế bào dưới dạng ATP. Mọi dạng sống trên cạn đều có các chất dinh dưỡng ưa thích riêng, nhưng ATP là một hợp chất phổ quát và năng lượng mà quá trình phosphoryl hóa oxy hóa tạo ra được lưu trữ để sử dụng cho các quá trình trao đổi chất.
Vi khuẩn
Hơn ba tỷ rưỡi năm trước, những sinh vật sống đầu tiên đã xuất hiện trên hành tinh của chúng ta. Sự sống có nguồn gốc trên Trái đất do vi khuẩn xuất hiện - sinh vật nhân sơ (không có nhân) được chia thành hai loại theo nguyên tắc hô hấp và dinh dưỡng. Bằng hô hấp - thành hiếu khí và kỵ khí, và dinh dưỡng - thành sinh vật nhân sơ dị dưỡng và tự dưỡng. Lời nhắc này hầu như không thừa, vì không thể giải thích quá trình phosphoryl hóa oxy hóa nếu không có các khái niệm cơ bản.
Vì vậy, sinh vật nhân sơ liên quan đến oxy(phân loại sinh lý) được chia thành vi sinh vật hiếu khí, không quan tâm đến oxy tự do và hiếu khí, mà hoạt động sống của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào sự hiện diện của nó. Chính chúng là những người thực hiện quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, ở trong môi trường bão hòa oxy tự do. Đây là con đường trao đổi chất được sử dụng rộng rãi nhất với hiệu quả năng lượng cao so với quá trình lên men kỵ khí.
Ti thể
Một khái niệm cơ bản khác: ti thể là gì? Đây là pin năng lượng của tế bào. Ti thể nằm trong tế bào chất và có một số lượng đáng kinh ngạc - ví dụ như trong cơ của một người hoặc trong gan của người đó, các tế bào chứa tới một nghìn rưỡi ti thể (chỉ là nơi diễn ra quá trình trao đổi chất mạnh mẽ nhất). Và khi quá trình phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra trong tế bào, đây là công việc của ty thể, chúng cũng lưu trữ và phân phối năng lượng.
Ti thể thậm chí không phụ thuộc vào quá trình phân chia tế bào, chúng rất di động, di chuyển tự do trong tế bào chất khi chúng cần. Họ có DNA của riêng họ, và do đó họ tự sinh ra và chết đi. Tuy nhiên, sự sống của một tế bào hoàn toàn phụ thuộc vào chúng; nếu không có ti thể, nó không hoạt động, nghĩa là, sự sống thực sự là không thể. Chất béo, cacbohydrat, protein bị oxy hóa, dẫn đến sự hình thành các nguyên tử hydro và các điện tử - chất khử tương đương, tiếp tục đi xa hơn trong chuỗi hô hấp. Đây là cách xảy ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, cơ chế của nó, có vẻ như, rất đơn giản.
Không dễ dàng như vậy
Năng lượng do ti thể tạo ra được chuyển đổi thành năng lượng khác, đó là năng lượng của gradien điện hóa hoàn toàn cho các proton nằm trên màng trong của ti thể. Đây là năng lượng cần thiết cho quá trình tổng hợp ATP. Và đó chính xác là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa là gì. Hóa sinh là một ngành khoa học còn khá non trẻ, chỉ vào giữa thế kỷ 19, các hạt ty thể mới được tìm thấy trong tế bào, và quá trình thu nhận năng lượng đã được mô tả muộn hơn nhiều. Người ta đã quan sát thấy cách thức các bộ ba được hình thành thông qua quá trình đường phân (và quan trọng nhất là axit pyruvic) tạo ra quá trình oxy hóa tiếp tục trong ty thể.
Trioses sử dụng năng lượng của quá trình phân tách, từ đó CO2được giải phóng, oxy được tiêu thụ và tổng hợp một lượng lớn ATP. Tất cả các quá trình trên đều liên quan chặt chẽ đến chu trình oxy hóa, cũng như chuỗi hô hấp mang electron. Do đó, quá trình phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra trong tế bào, tổng hợp "nhiên liệu" cho chúng - các phân tử ATP.
Chu trình oxy hóa và chuỗi hô hấp
Trong chu trình oxy hóa, axit tricarboxylic giải phóng các điện tử, bắt đầu cuộc hành trình của chúng dọc theo chuỗi vận chuyển điện tử: đầu tiên là đến các phân tử coenzyme, ở đây NAD là thứ chính (nicotinamide adenin dinucleotide), và sau đó các điện tử được chuyển đến ETC (chuỗi vận chuyển điện),cho đến khi chúng kết hợp với oxy phân tử và tạo thành phân tử nước. Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, cơ chế được mô tả ngắn gọn ở trên, được chuyển sang vị trí hoạt động khác. Đây là chuỗi hô hấp - phức hợp protein được xây dựng trong màng trong của ti thể.
Đây là nơi cực điểm xảy ra - sự chuyển hóa năng lượng thông qua một chuỗi các nguyên tố oxi hóa và khử. Quan tâm ở đây là ba điểm chính trong chuỗi vận chuyển điện nơi xảy ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Hóa sinh học xem xét quá trình này rất sâu sắc và cẩn thận. Biết đâu một ngày nào đó, một phương pháp chữa trị lão hóa mới sẽ ra đời từ đây. Vì vậy, tại ba điểm của chuỗi này, ATP được hình thành từ phosphate và ADP (adenosine diphosphate là một nucleotide bao gồm ribose, adenin và hai phần axit photphoric). Đó là lý do tại sao quy trình có tên.
Hô hấp tế bào
Hô hấp tế bào (nói cách khác - mô) và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa là các giai đoạn của cùng một quá trình thực hiện cùng nhau. Không khí được sử dụng trong mọi tế bào của mô và cơ quan, nơi các sản phẩm phân cắt (chất béo, carbohydrate, protein) được phân hủy và phản ứng này tạo ra năng lượng được lưu trữ dưới dạng các hợp chất macroergic. Hô hấp bình thường ở phổi khác với hô hấp mô ở chỗ oxy đi vào cơ thể và carbon dioxide được loại bỏ khỏi nó.
Cơ thể luôn hoạt động, năng lượng của nó được dành cho vận động và tăng trưởng, tự sinh sản, cáu kỉnh và nhiều quá trình khác. Nó là cho điều này vàquá trình phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra trong ti thể. Hô hấp tế bào có thể được chia thành ba cấp độ: sự hình thành oxy hóa ATP từ axit pyruvic, cũng như các axit amin và axit béo; dư axetyl bị phá hủy bởi axit tricacboxylic, sau đó hai phân tử cacbon đioxit và bốn cặp nguyên tử hiđro được giải phóng; electron và proton được chuyển sang oxy phân tử.
Cơ chế bổ sung
Hô hấp ở cấp độ tế bào đảm bảo sự hình thành và bổ sung ADP trực tiếp trong tế bào. Mặc dù cơ thể có thể được bổ sung axit adenosine triphosphoric theo cách khác. Đối với điều này, các cơ chế bổ sung tồn tại và nếu cần thiết, sẽ được đưa vào, mặc dù chúng không hiệu quả như vậy.
Đây là những hệ thống trong đó xảy ra sự phân hủy cacbohydrat không có oxy - quá trình đường phân và quá trình đường phân. Đây không còn là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa nữa, các phản ứng có phần khác nhau. Nhưng quá trình hô hấp của tế bào không thể dừng lại, bởi vì trong quá trình này, các phân tử rất cần thiết của các hợp chất quan trọng nhất được hình thành, được sử dụng cho nhiều quá trình sinh tổng hợp.
Dạng năng lượng
Khi các điện tử được chuyển trong màng ty thể, nơi xảy ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, chuỗi hô hấp từ mỗi phức hợp của nó sẽ hướng năng lượng được giải phóng để di chuyển proton qua màng, tức là từ chất nền đến không gian giữa các màng.. Sau đó, một sự khác biệt tiềm năng được hình thành. Các proton mang điện tích dương và nằm trong không gian nội màng, và mang điện tích âmhành động tích điện từ ma trận ty thể.
Khi đạt đến một sự khác biệt tiềm năng nhất định, phức hợp protein trả lại proton trở lại chất nền, biến năng lượng nhận được thành một năng lượng hoàn toàn khác, nơi các quá trình oxy hóa được kết hợp với quá trình phosphoryl hóa tổng hợp - ADP. Trong suốt quá trình oxy hóa chất nền và bơm proton qua màng ty thể, quá trình tổng hợp ATP không ngừng, tức là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Hai loại
Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và cơ chất là khác nhau cơ bản. Theo những ý tưởng hiện đại, các dạng sống cổ đại nhất chỉ có thể sử dụng các phản ứng của quá trình phosphoryl hóa cơ chất. Vì vậy, các hợp chất hữu cơ tồn tại trong môi trường bên ngoài được sử dụng thông qua hai kênh - như một nguồn năng lượng và một nguồn cacbon. Tuy nhiên, những hợp chất như vậy trong môi trường dần cạn kiệt, và những sinh vật đã xuất hiện bắt đầu thích nghi, hãy tìm kiếm những nguồn năng lượng mới và những nguồn carbon mới.
Vì vậy, họ đã học cách sử dụng năng lượng của ánh sáng và carbon dioxide. Nhưng cho đến khi điều này xảy ra, các sinh vật đã giải phóng năng lượng từ các quá trình lên men oxy hóa và cũng lưu trữ nó trong các phân tử ATP. Đây được gọi là quá trình phosphoryl hóa cơ chất khi sử dụng phương pháp xúc tác bằng enzym hòa tan. Chất nền lên men tạo thành chất khử chuyển các điện tử đến chất nhận nội sinh mong muốn - axeton, acetalhyd, pyruvate và các chất tương tự, hoặc H2- hydro dạng khí được giải phóng.
Đặc điểm so sánh
So với quá trình lên men, quá trình phosphoryl hóa oxy hóa mang lại năng lượng cao hơn nhiều. Quá trình đường phân mang lại tổng sản lượng ATP của hai phân tử và trong quá trình này, ba mươi đến ba mươi sáu phân tử được tổng hợp. Có sự di chuyển của các electron đến các hợp chất nhận từ các hợp chất cho thông qua các phản ứng oxy hóa và khử, tạo thành năng lượng được lưu trữ dưới dạng ATP.
Sinh vật nhân thực thực hiện các phản ứng này với các phức hợp protein khu trú bên trong màng tế bào ty thể, và sinh vật nhân sơ hoạt động bên ngoài - trong không gian liên màng của nó. Chính phức hợp các protein liên kết này tạo nên ETC (chuỗi vận chuyển điện tử). Sinh vật nhân chuẩn chỉ có năm phức hợp protein trong thành phần của chúng, trong khi sinh vật nhân sơ có rất nhiều và chúng đều hoạt động với nhiều loại chất cho điện tử và chất nhận của chúng.
Kết nối và ngắt kết nối
Quá trình oxy hóa tạo ra một thế điện hóa, và với quá trình phosphoryl hóa, điện thế này được sử dụng. Điều này có nghĩa là sự liên hợp được cung cấp, nếu không thì - sự liên kết của các quá trình phosphoryl hóa và oxy hóa. Do đó có tên, quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Thế điện hóa cần thiết cho sự liên hợp được tạo ra bởi ba phức hợp của chuỗi hô hấp - phức hợp thứ nhất, thứ ba và thứ tư, được gọi là điểm liên hợp.
Nếu màng trong của ti thể bị hư hỏng hoặc tính thấm của nó tăng lên do hoạt động của các chất tách đôi, điều này chắc chắn sẽ gây ra sự biến mất hoặc giảm điện thế điện hóa, vàtiếp theo là sự tách rời của các quá trình phosphoryl hóa và oxy hóa, tức là sự ngừng tổng hợp ATP. Hiện tượng khi thế điện hóa biến mất được gọi là hiện tượng quá trình photphoryl hóa và hô hấp tách ra.
Ngắt kết nối
Trạng thái mà quá trình oxy hóa cơ chất tiếp tục và quá trình phosphoryl hóa không xảy ra (nghĩa là, ATP không được hình thành từ P và ADP) là trạng thái không liên kết của quá trình phosphoryl hóa và oxy hóa. Điều này xảy ra khi bộ tách đôi can thiệp vào quá trình. Họ là gì và họ phấn đấu đạt được kết quả gì? Giả sử sự tổng hợp ATP bị giảm đi rất nhiều, tức là nó được tổng hợp với số lượng ít hơn, trong khi chuỗi hô hấp thực hiện chức năng. Điều gì xảy ra với năng lượng? Nó toát lên như sự ấm áp. Mọi người đều cảm thấy điều này khi bị sốt.
Bạn có nhiệt độ không? Vì vậy, các cầu dao đã hoạt động. Ví dụ, thuốc kháng sinh. Đây là những axit yếu hòa tan trong chất béo. Thâm nhập vào không gian nội màng của tế bào, chúng khuếch tán vào ma trận, kéo theo các proton liên kết với chúng. Ví dụ, hành động ngắt kết nối có các hormone do tuyến giáp tiết ra, có chứa i-ốt (triiodothyronine và thyroxine). Nếu tuyến giáp hoạt động mạnh, tình trạng của bệnh nhân rất khủng khiếp: họ thiếu năng lượng ATP, họ tiêu thụ nhiều thức ăn, vì cơ thể cần nhiều cơ chất để oxy hóa, nhưng họ lại giảm cân, vì phần chính của năng lượng nhận được bị mất dưới dạng nhiệt.
