Биологиялық тотығу. Тотығу-тотықсыздану реакциялары: мысалдар

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-15 17:27

Энергиясыз бірде-бір тіршілік иесі өмір сүре алмайды. Өйткені, әрбір химиялық реакция, әрбір процесс оның болуын талап етеді. Мұны түсіну және сезіну кез келген адамға оңай. Күні бойы тамақ ішпесеңіз, кешке қарай, мүмкін одан да ертерек шаршау, летаргия белгілері басталады, күш айтарлықтай төмендейді.

Әртүрлі ағзалар энергия алуға қалай бейімделген? Ол қайдан пайда болады және жасуша ішінде қандай процестер жүреді? Осы мақаланы түсінуге тырысайық.

Ағзалардың энергия алуы

Жанарлылар энергияны қандай жолмен тұтынса да, ORR (тотығу-тотықсыздану реакциялары) әрқашан негіз болып табылады. Әртүрлі мысалдар келтіруге болады. Жасыл өсімдіктер мен кейбір бактериялар жүзеге асыратын фотосинтез теңдеуі де OVR болып табылады. Әрине, процестер қай тіршілік иесін білдіретініне байланысты әр түрлі болады.

Демек, барлық жануарлар гетеротрофтылар. Яғни, өз бетінше дайын органикалық қосылыстар түзе алмайтын мұндай организмдер үшінолардың әрі қарай ыдырауы және химиялық байланыстар энергиясының бөлінуі.

Өсімдіктер, керісінше, біздің планетамыздағы органикалық заттардың ең қуатты өндірушісі болып табылады. Дәл солар арнайы зат – хлорофиллдің әсерінен судан глюкозаның, көмірқышқыл газының түзілуінен тұратын фотосинтез деп аталатын күрделі және маңызды процесті жүзеге асырады. Жанама өнім - барлық аэробты тіршілік иелері үшін тіршілік көзі болып табылатын оттегі.

Тотығу-тотықсыздану реакциялары, мысалдары осы процесті суреттейді:

6CO₂ + 6H₂O=хлорофилл=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

немесе

хлорофилл пигментінің әсерінен көмірқышқыл газы + сутегі оксиді (реакция ферменті)=моносахарид + бос молекулалық оттегі

Бейорганикалық қосылыстардың химиялық байланыстарының энергиясын пайдалануға қабілетті планета биомассасының өкілдері де бар. Оларды химотрофтар деп атайды. Оларға бактериялардың көптеген түрлері жатады. Мысалы, топырақтағы субстрат молекулаларын тотықтыратын сутегі микроорганизмдері. Процесс формула бойынша жүреді:

Биологиялық тотығу туралы білімнің даму тарихы

Энергия өндірудің негізінде жатқан процесс бүгінде жақсы белгілі. Бұл биологиялық тотығу. Биохимия іс-әрекеттің барлық кезеңдерінің нәзік тұстары мен механизмдерін соншалықты егжей-тегжейлі зерттеді, сондықтан ешқандай жұмбақ қалмады. Алайда, бұл болмадыәрқашан.

Табиғаттағы химиялық реакциялар болып табылатын тірі тіршілік иелерінің ішінде болатын ең күрделі өзгерістер туралы алғашқы ескерту шамамен 18 ғасырда пайда болды. Дәл осы кезде атақты француз химигі Антуан Лавуазье биологиялық тотығу мен жанудың қаншалықты ұқсас екеніне назар аударды. Ол тыныс алу кезінде сіңірілетін оттегінің шамамен жолын қадағалап, тотығу процестері әртүрлі заттардың жануы кезінде сыртқа қарағанда баяу ғана жүретін дененің ішінде жүреді деген қорытындыға келді. Яғни, тотықтырғыш – оттегі молекулалары – органикалық қосылыстармен, нақтырақ айтсақ, олардан сутегімен және көміртегімен әрекеттеседі және қосылыстардың ыдырауымен қатар жүретін толық трансформация жүреді.

Алайда бұл болжам шын мәнінде өте шынайы болғанымен, көп нәрсе түсініксіз болып қала берді. Мысалы:

• процестер ұқсас болғандықтан, олардың пайда болу шарттары бірдей болуы керек, бірақ тотығу дененің төмен температурасында жүреді;
• әрекет жылу энергиясының үлкен көлемінің бөлінуімен қатар жүрмейді және жалын пайда болмайды;
• тірі ағзалардың құрамында кем дегенде 75-80% су бар, бірақ бұл олардағы қоректік заттардың «жануын» болдырмайды.

Осы сұрақтардың барлығына жауап беру және биологиялық тотығудың шын мәнінде не екенін түсіну үшін жылдар қажет болды.

Процессте оттегі мен сутегінің болуының маңыздылығын білдіретін әртүрлі теориялар болды. Ең көп таралған және ең табыстылары:

• Бах теориясы, деп аталадыпероксид;
• Палладин теориясы, «хромогендер» концепциясына негізделген.

Келешекте Ресейде де, дүние жүзінің басқа елдерінде де биологиялық тотығу дегеніміз не деген сұраққа біртіндеп толықтырулар мен өзгерістер енгізген ғалымдар көп болды. Қазіргі биохимия олардың жұмысының арқасында осы процестің әрбір реакциясы туралы айта алады. Осы аймақтағы ең танымал есімдердің арасында мыналар бар:

• Митчелл;
• С. В. Северин;
• Варбург;
• Б. А. Белитцер;
• Ленингер;
• Б. П. Скулачев;
• Кребс;
• Жасыл;
• Б. А. Энгельхардт;
• Кайлин және т.б.

Биологиялық тотығу түрлері

Қарастырылып отырған процестің әртүрлі жағдайларда орын алатын екі негізгі түрі бар. Сонымен, микроорганизмдер мен саңырауқұлақтардың көптеген түрлерінде алынған тағамды түрлендірудің ең кең таралған тәсілі - анаэробты. Бұл биологиялық тотығу, ол оттегіге қол жеткізбей және оның кез келген нысанда қатысуынсыз жүзеге асырылады. Ұқсас жағдайлар ауаға қол жеткізе алмайтын жерлерде де жасалады: жер астында, шіріген субстраттарда, шөгінділерде, саздарда, батпақтарда және тіпті ғарышта.

Тотығудың бұл түрінің басқа атауы бар – гликолиз. Бұл сондай-ақ күрделі және еңбекті қажет ететін, бірақ энергияға бай процестің кезеңдерінің бірі - аэробты трансформация немесе тіндік тыныс алу. Бұл қарастырылып отырған процестің екінші түрі. Ол барлық аэробты тіршілік иелері-гетеротрофтарда кездеседі, олароттегі тыныс алу үшін пайдаланылады.

Сонымен биологиялық тотығу түрлері келесідей.

1. Гликолиз, анаэробты жол. Оттегінің болуын қажет етпейді және ашытудың әртүрлі формаларына әкеледі.
2. Тіндердің тыныс алуы (тотықтырғыш фосфорлану) немесе аэробты көрініс. Молекулярлық оттегінің болуын талап етеді.

Процесске қатысушылар

Биологиялық тотығудың өзіне тән ерекшеліктерін қарастыруға көшейік. Келешекте қолданатын негізгі қосылыстар мен олардың аббревиатураларын анықтайық.

1. Ацетилкофермент-А (ацетил-КоА) үшкарбон қышқылы циклінің бірінші сатысында түзілетін коферментпен қымыздық және сірке қышқылының конденсаты.
2. Кребс циклі (лимон қышқылының циклі, үшкарбон қышқылдары) энергияның бөлінуімен, сутегінің тотықсыздануымен және төмен молекулалық салмақты маңызды өнімдердің түзілуімен жүретін күрделі дәйекті тотығу-тотықсыздану түрлендірулерінің сериясы. Бұл ката- және анаболизмнің негізгі буыны.
3. NAD және NADH - дегидрогеназа ферменті, никотинамид аденин динуклеотидті білдіреді. Екінші формула сутегі қосылған молекула. NADP - никотинамид адениндинуклеотид фосфаты.
4. FAD және FADN − флавин адениндинуклеотиді – дегидрогеназа коферменті.
5. ATP - аденозинтрифосфор қышқылы.
6. ПВХ - пирожүзім қышқылы немесе пируват.
7. Сукцинат немесе сукцин қышқылы, H₃PO₄− фосфор қышқылы.
8. GTP − гуанозинтрифосфаты, пуриндік нуклеотидтер класы.
9. ETC - электронды тасымалдау тізбегі.
10. Процесс ферменттері: пероксидазалар, оксигеназалар, цитохромоксидазалар, флавиндегидрогеназалар, әртүрлі коферменттер және басқа қосылыстар.

Бұл қосылыстардың барлығы тірі организмдердің ұлпаларында (жасушаларында) болатын тотығу процесінің тікелей қатысушылары.

Биологиялық тотығу кезеңдері: кесте

кезең	Процестер мен мағына
Гликолиз	Процесстің мәні моносахаридтердің оттегісіз бөлінуінде жатыр, ол жасушалық тыныс алу процесінен бұрын жүреді және екі АТФ молекуласына тең энергияның шығуымен бірге жүреді. Пируват те түзіледі. Бұл гетеротрофтың кез келген тірі организмінің бастапқы кезеңі. Митохондриялардың кристалдарына енетін және тіндердің оттегімен тотығуының субстраты болып табылатын ПВХ түзілудегі маңызы. Анаэробтарда гликолизден кейін әртүрлі типтегі ашыту процестері басталады.
Пируват тотығуы	Бұл процесс гликолиз кезінде түзілген ПВХ-ның ацетил-КоА-ға айналуынан тұрады. Ол пируватдегидрогеназаның арнайы ферменттік кешенін қолдану арқылы жүзеге асырылады. Нәтижесінде Кребс цикліне енетін цетил-КоА молекулалары пайда болады. Дәл сол процесте NAD NADH-ге дейін азаяды. Локализация орны – митохондрия кристалдары.
Бета май қышқылдарының ыдырауы	Бұл процесс алдыңғысымен қатар орындаладымитохондриялық кристалдар. Оның мәні барлық май қышқылдарын ацетил-КоА-ға өңдеп, үш карбон қышқылының айналымына енгізу болып табылады. Бұл сонымен қатар NADH қалпына келтіреді.
Кребс циклі	Ацетил-КоА лимон қышқылына айналуынан басталады, ол әрі қарай трансформациядан өтеді. Биологиялық тотығуды қамтитын маңызды кезеңдердің бірі. Бұл қышқылға әсер етеді: дегидрлеу; декарбоксилдену; регенерация. Әр процесс бірнеше рет орындалады. Нәтиже: GTP, көмірқышқыл газы, NADH және FADH 2 азайтылған түрі. Сонымен қатар биологиялық тотығу ферменттері митохондриялық бөлшектердің матрицасында еркін орналасады.
Тотықтырғыш фосфорлану	Бұл эукариоттық ағзалардағы қосылыстардың түрленуінің соңғы сатысы. Бұл жағдайда аденозиндифосфат АТФ-қа айналады. Бұл үшін қажетті энергия алдыңғы кезеңдерде түзілген NADH және FADH2 молекулаларының тотығуынан алынады. ETC бойындағы дәйекті ауысулар және потенциалдардың төмендеуі арқылы энергия АТФ макроэргиялық байланыстарында жасалады.

Осының барлығы оттегінің қатысуымен биологиялық тотығумен жүретін процестер. Әрине, олар толық сипатталған жоқ, тек мәні бойынша, өйткені егжей-тегжейлі сипаттау үшін кітаптың бүкіл тарауы қажет. Тірі ағзалардың барлық биохимиялық процестері өте көп қырлы және күрделі.

Процестің тотығу-тотықсыздану реакциялары

Тотығу-тотықсыздану реакциялары, олардың мысалдары жоғарыда сипатталған субстрат тотығу процестерін суреттей алады.

1. Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Пируват тотығуы: ПВХ + фермент=көмірқышқыл газы + сірке альдегиді. Содан кейін келесі қадам: ацетальдегид + кофермент А=ацетил-КоА.
3. Кребс цикліндегі лимон қышқылының көптеген дәйекті трансформациялары.

Мысалдар жоғарыда келтірілген бұл тотығу-тотықсыздану реакциялары жүріп жатқан процестердің мәнін тек жалпы түрде көрсетеді. Қарастырылып отырған қосылыстардың молекулалық салмағы жоғары немесе көміртегі қаңқасы үлкен екені белгілі, сондықтан бәрін толық формулалармен көрсету мүмкін емес.

Тіндердің тыныс алуының энергия шығысы

Жоғарыда келтірілген сипаттамалардан бүкіл тотығудың жалпы энергия шығымын есептеу қиын емес екені анық.

1. Гликолиз екі ATP молекуласын түзеді.
2. Пируват тотығуы 12 ATP молекуласы.
3. әр лимон қышқылының циклінде 22 молекула.

Қорытынды: аэробтық жол арқылы толық биологиялық тотығу 36 ATP молекуласына тең энергия шығысын береді. Биологиялық тотығудың маңыздылығы айқын. Дәл осы энергия тірі ағзалардың өмірі мен жұмыс істеуіне, сондай-ақ денелерін жылытуға, қозғалысқа және басқа да қажетті заттарға жұмсайды.

Субстраттың анаэробты тотығуы

Биологиялық тотығудың екінші түрі – анаэробты. Яғни, әркім жүзеге асыратын, бірақ белгілі бір түрдегі микроорганизмдер тоқтайтын. Бұл гликолиз және осыдан аэробтар мен анаэробтар арасындағы заттардың одан әрі өзгеруіндегі айырмашылықтар анық байқалады.

Бұл жолда аздаған биологиялық тотығу қадамдары бар.

1. Гликолиз, яғни глюкоза молекуласының пируватқа тотығуы.
2. АТФ регенерациясына әкелетін ашыту.

Қатысқан ағзаларға байланысты ашыту әртүрлі болуы мүмкін.

Сүт қышқылының ашытуы

Сүт қышқылы бактериялары және кейбір саңырауқұлақтар арқылы жүзеге асырылады. Ең бастысы - ПВХ сүт қышқылына дейін қалпына келтіру. Бұл процесс өнеркәсіпте мыналарды алу үшін қолданылады:

• ашытылған сүт өнімдері;
• ашытылған көкөністер мен жемістер;
• жануарлар силостары.

Ашытудың бұл түрі адам қажеттіліктерінде ең көп қолданылатындардың бірі.

Алкоголь ашыту

Адамға ерте заманнан белгілі. Процестің мәні ПВХ-ны этанолдың екі молекуласына және екі көмірқышқыл газына айналдыру болып табылады. Осы өнім шығымының арқасында ашытудың бұл түрі мыналарды алу үшін қолданылады:

• нан;
• шарап;
• сыра;
• кондитерлік өнімдер және т.б.

Оны саңырауқұлақтар, ашытқылар және бактериялық сипаттағы микроорганизмдер жүзеге асырады.

Бутирді ашыту

Ашытудың біршама тар ерекше түрі. Clostridium туысының бактерияларымен жүзеге асырылады. Түпнұсқа - пируваттың май қышқылына айналуы, ол тағамға жағымсыз иіс пен қышқыл дәм береді.

Сондықтан осы жолмен жүретін биологиялық тотығу реакциялары өнеркәсіпте іс жүзінде қолданылмайды. Дегенмен, бұл бактериялар азық-түлікті өздігінен себеді және олардың сапасын төмендететін зиян келтіреді.