Биологийн исэлдэлт. Редокс урвал: жишээ

2024 Зохиолч: Angel Austin | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-15 17:28

Энерги байхгүй бол ганц ч амьд оршнол оршин тогтнож чадахгүй. Эцсийн эцэст, химийн урвал, бүх үйл явц нь түүний оролцоог шаарддаг. Үүнийг хэн ч ойлгож, мэдрэхэд хялбар байдаг. Хэрэв та өдөржин хоол идэхгүй бол орой, магадгүй бүр эрт ядарч сульдах, нойрмоглох шинж тэмдэг илэрч, хүч чадал мэдэгдэхүйц буурна.

Янз бүрийн организмууд эрчим хүч олж авахад хэрхэн дасан зохицсон бэ? Энэ нь хаанаас гаралтай, эсийн дотор ямар процесс явагддаг вэ? Энэ нийтлэлийг ойлгохыг хичээцгээе.

Организмаар энерги авдаг

Амьтан энерги зарцуулдаг ямар ч арга зам нь ORR (исэлдэх-багарах урвал) нь үргэлж үндэс суурь болдог. Янз бүрийн жишээг өгч болно. Ногоон ургамал, зарим бактерийн гүйцэтгэдэг фотосинтезийн тэгшитгэл нь мөн OVR юм. Мэдээжийн хэрэг, үйл явц нь аль амьд биетийг хэлж байгаагаас хамааран өөр өөр байх болно.

Тиймээс бүх амьтад гетеротроф юм. Өөрөөр хэлбэл, бие даан бие даан бэлэн органик нэгдлүүдийг үүсгэх чадваргүй ийм организмууд юмтэдгээрийн цаашдын хуваагдал ба химийн бондын энерги ялгарах.

Ургамал бол эсрэгээрээ манай гараг дээрх хамгийн хүчирхэг органик бодис үйлдвэрлэгч юм. Тэд тусгай бодис болох хлорофилийн нөлөөн дор ус, нүүрстөрөгчийн давхар исэлээс глюкоз үүсэхээс бүрддэг фотосинтез гэж нэрлэгддэг нарийн төвөгтэй бөгөөд чухал процессыг гүйцэтгэдэг. Дагалдах бүтээгдэхүүн нь бүх аэробик амьд биетүүдийн амьдралын эх үүсвэр болох хүчилтөрөгч юм.

Учир нь исэлдэх урвалууд, жишээнүүд нь энэ үйл явцыг харуулсан:

6CO₂ + 6H₂O=хлорофилл=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

эсвэл

хлорофилл пигментийн нөлөөн дэх нүүрстөрөгчийн давхар исэл + устөрөгчийн исэл (урвалын фермент)=моносахарид + чөлөөт молекулын хүчилтөрөгч

Органик бус нэгдлүүдийн химийн холбооны энергийг ашиглах чадвартай гаригийн биомассын ийм төлөөлөгчид бас байдаг. Тэднийг химотроф гэж нэрлэдэг. Эдгээрт олон төрлийн бактери орно. Жишээлбэл, хөрсөн дэх субстратын молекулуудыг исэлдүүлдэг устөрөгчийн бичил биетүүд. Процесс нь дараах томъёоны дагуу явагдана.

Биологийн исэлдэлтийн талаарх мэдлэгийн хөгжлийн түүх

Эрчим хүч үйлдвэрлэх үндсэн үйл явц нь өнөөдөр сайн мэддэг. Энэ бол биологийн исэлдэлт юм. Биохими нь үйл ажиллагааны бүх үе шатуудын нарийн мэдрэмж, механизмыг маш нарийн судалсан тул нууцлаг зүйл бараг үлдээгүй. Гэсэн хэдий ч энэ нь тийм биш байсанүргэлж.

Байгалийн химийн урвал болох амьд биетүүдийн дотор тохиолддог хамгийн нарийн төвөгтэй өөрчлөлтүүдийн тухай анх дурдсан нь 18-р зууны үед гарч ирсэн. Яг энэ үед Францын нэрт химич Антуан Лавуазье биологийн исэлдэлт, шаталт хоёр хоорондоо хэр төстэй болохыг анхаарч үзсэн юм. Тэрээр амьсгалах явцад шингэсэн хүчилтөрөгчийн ойролцоо замыг судалж, янз бүрийн бодисыг шатаах үед исэлдэлтийн процесс нь гаднаасаа илүү удаан явагддаг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Өөрөөр хэлбэл исэлдүүлэгч бодис болох хүчилтөрөгчийн молекулууд нь органик нэгдлүүд, ялангуяа устөрөгч, нүүрстөрөгчтэй урвалд орж, нэгдлүүдийн задралын хамт бүрэн хувирал үүсдэг.

Гэсэн хэдий ч энэ таамаг үндсэндээ бодитой боловч олон зүйл ойлгомжгүй хэвээр үлджээ. Жишээ нь:

• процессууд нь ижил төстэй тул тэдгээрийн үүсэх нөхцөл ижил байх ёстой, гэхдээ биеийн бага температурт исэлдэлт үүсдэг;
• үйлдэл нь их хэмжээний дулааны энерги ялгаруулдаггүй бөгөөд дөл үүсэхгүй;
• амьд биетэд хамгийн багадаа 75-80% ус агуулагддаг ч энэ нь тэдгээрийн доторх шим тэжээлийг "шатаахаас" сэргийлж чадахгүй.

Энэ бүх асуултад хариулж, биологийн исэлдэлт гэж юу болохыг ойлгоход олон жил зарцуулсан.

Энэ үйл явцад хүчилтөрөгч, устөрөгч байхын ач холбогдлыг илтгэсэн өөр өөр онолууд байсан. Хамгийн түгээмэл бөгөөд амжилттай нь:

• Бахийн онол гэж нэрлэдэгхэт исэл;
• Палладины онол нь "хромоген"-ийн үзэл баримтлалд үндэслэсэн.

Ирээдүйд биологийн исэлдэлт гэж юу вэ гэсэн асуултад бага багаар нэмэлт, өөрчлөлт оруулсан эрдэмтэд Орос төдийгүй дэлхийн бусад оронд ч олон болсон. Орчин үеийн биохими нь тэдний ажлын ачаар энэ үйл явцын хариу үйлдэл бүрийн талаар хэлж чаддаг. Энэ бүсийн хамгийн алдартай нэрсийн дунд дараах нэрсийг дурдвал:

• Митчелл;
• С. В. Северин;
• Варбург;
• Б. А. Белитцер;
• Ленингер;
• Б. П. Скулачев;
• Кребс;
• Ногоон;
• Б. А. Энгельхардт;
• Кайлин болон бусад.

Биологийн исэлдэлтийн төрлүүд

Янз бүрийн нөхцөлд явагддаг хоёр үндсэн төрлийн процесс байдаг. Тиймээс олон төрлийн бичил биетэн, мөөгөнцөрт хүлээн авсан хоолыг хувиргах хамгийн түгээмэл арга бол агааргүй бодис юм. Энэ бол хүчилтөрөгчийн хүртээмжгүй, түүний оролцоогүйгээр явагддаг биологийн исэлдэлт юм. Үүнтэй төстэй нөхцөл нь агаарт нэвтрэх боломжгүй газарт үүсдэг: газар доор, ялзарч буй субстрат, шавар, шавар, намаг, тэр ч байтугай сансарт.

Энэ төрлийн исэлдэлт нь гликолиз гэсэн өөр нэртэй байдаг. Энэ нь илүү төвөгтэй, хөдөлмөр их шаарддаг боловч эрч хүчээр баялаг үйл явцын нэг үе шат юм - аэробик хувиргалт эсвэл эд эсийн амьсгал. Энэ бол авч үзэж буй хоёр дахь төрлийн үйл явц юм. Энэ нь бүх аэробик амьд амьтад-гетеротрофуудад тохиолддогхүчилтөрөгчийг амьсгалахад ашигладаг.

Тиймээс биологийн исэлдэлтийн төрлүүд дараах байдалтай байна.

1. Гликолиз, агааргүй зам. Хүчилтөрөгч шаарддаггүй бөгөөд янз бүрийн хэлбэрээр исгэх үр дүнд хүргэдэг.
2. Эдийн амьсгал (исэлдэлтийн фосфоржилт) эсвэл аэробикийн харагдах байдал. Молекулын хүчилтөрөгч байх шаардлагатай.

Үйл ажиллагаанд оролцогчид

Биологийн исэлдэлтэнд агуулагддаг онцлог шинжүүдийг авч үзье. Цаашид хэрэглэх үндсэн нэгдлүүд болон тэдгээрийн товчлолуудыг тодорхойлъё.

1. Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) нь трикарбоксилын хүчлийн мөчлөгийн эхний үе шатанд үүссэн коэнзим бүхий оксалик ба цууны хүчлийн конденсат юм.
2. Кребсийн мөчлөг (нимбэгийн хүчлийн мөчлөг, трикарбоксилын хүчил) нь энерги ялгарах, устөрөгчийг багасгах, бага молекул жинтэй чухал бүтээгдэхүүн үүсэх зэрэг цогц дараалсан исэлдэлтийн өөрчлөлтүүдийн цуврал юм. Энэ нь ката- болон анаболизмын гол холбоос юм.
3. NAD ба NADH - дегидрогеназа фермент нь никотинамид аденин динуклеотид гэсэн үг юм. Хоёрдахь томьёо нь устөрөгч агуулсан молекул юм. NADP - никотинамид аденин динуклеотид фосфат.
4. FAD ба FADN - флавин аденин динуклеотид - дегидрогеназын коэнзим.
5. ATP - аденозин трифосфорын хүчил.
6. PVC - пирувийн хүчил эсвэл пируват.
7. Сукцинат эсвэл сукцины хүчил, H₃PO₄− фосфорын хүчил.
8. GTP - гуанозин трифосфат, пурины нуклеотидын анги.
9. ETC - электрон тээвэрлэх гинж.
10. Процессын ферментүүд: пероксидаза, оксигеназа, цитохром оксидаза, флавиндегидрогеназ, төрөл бүрийн коэнзим болон бусад нэгдлүүд.

Эдгээр бүх нэгдлүүд нь амьд организмын эд (эс)-д тохиолддог исэлдэлтийн процесст шууд оролцдог.

Биологийн исэлдэлтийн үе шатууд: хүснэгт

Үе шат	Процесс ба утга учир
Гликолиз	Үйл явцын мөн чанар нь моносахаридын хүчилтөрөгчгүй хуваагдалд оршдог бөгөөд энэ нь эсийн амьсгалын үйл явцаас өмнө явагддаг бөгөөд хоёр ATP молекултай тэнцэх энергийн гаралт дагалддаг. Мөн пируват үүсдэг. Энэ бол гетеротрофын аливаа амьд организмын эхний үе шат юм. Митохондрийн талст руу орж, эд эсийг хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлэх субстрат болох PVC үүсэхэд чухал ач холбогдолтой. Агааргүй организмд гликолизийн дараа янз бүрийн төрлийн исгэх процесс эхэлдэг.
Пируват исэлдэлт	Энэ процесс нь гликолизийн явцад үүссэн PVC-ийг ацетил-КоА болгон хувиргах үйл явцаас бүрдэнэ. Үүнийг пируватдегидрогеназын тусгай ферментийн цогцолбор ашиглан гүйцэтгэдэг. Үүний үр дүнд Кребсийн мөчлөгт ордог цетил-КоА молекулууд үүсдэг. Үүнтэй ижил процесст NAD нь NADH болж буурдаг. Нутагшуулах газар - митохондрийн кристал.
Бета тосны хүчлүүдийн задрал	Энэ процесс нь өмнөхтэй зэрэгцэн явагданамитохондрийн кристал. Үүний мөн чанар нь бүх өөх тосны хүчлийг ацетил-КоА болгон боловсруулж, трикарбоксилын хүчлийн эргэлтэнд оруулах явдал юм. Энэ нь мөн NADH-г сэргээдэг.
Кребсын мөчлөг	Ацетил-КоА-г нимбэгийн хүчил болгон хувиргаж эхэлдэг бөгөөд энэ нь цаашдын өөрчлөлтөд ордог. Биологийн исэлдэлтийг багтаасан хамгийн чухал үе шатуудын нэг. Энэ хүчил нь: усгүйжүүлэх; декарбоксилжилт; нөхөн сэргээх. Процесс бүр хэд хэдэн удаа хийгддэг. Үр дүн: GTP, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, NADH болон FADH 2-ийн бууруулсан хэлбэр. Үүний зэрэгцээ биологийн исэлдэлтийн ферментүүд нь митохондрийн хэсгүүдийн матрицад чөлөөтэй байрладаг.
Исэлдүүлэх фосфоржилт	Энэ нь эукариот организм дахь нэгдлүүдийг хувиргах сүүлчийн алхам юм. Энэ тохиолдолд аденозин дифосфат нь ATP болж хувирдаг. Үүнд шаардагдах энергийг өмнөх үе шатанд үүссэн NADH ба FADH2 молекулуудын исэлдэлтээс авдаг. ETC-ийн дагуу дараалсан шилжилт ба потенциалын бууралтаар энерги нь ATP-ийн макроэргик холбоонд үүсдэг.

Эдгээр нь хүчилтөрөгчийн оролцоотой биологийн исэлдэлтийг дагалддаг бүх процессууд юм. Мэдээжийн хэрэг, тэдгээрийг бүрэн тайлбарлаагүй, гэхдээ зөвхөн мөн чанарын хувьд, учир нь нарийвчилсан тайлбарыг хийхийн тулд номын бүхэл бүтэн бүлэг шаардлагатай болно. Амьд организмын бүх биохимийн процессууд нь маш олон талт бөгөөд нарийн төвөгтэй байдаг.

Үйл явцын исэлдэлтийн урвалууд

Учир нь исэлдэх урвалууд, жишээ нь дээр дурдсан субстратын исэлдэлтийн процессыг дараах байдлаар харуулав.

1. Гликолиз: моносахарид (глюкоз) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Пируват исэлдэлт: PVC + фермент=нүүрстөрөгчийн давхар исэл + ацетальдегид. Дараа нь дараагийн алхам: ацетальдегид + коэнзим А=ацетил-КоА.
3. Кребсийн мөчлөгт нимбэгийн хүчлийн олон дараалсан өөрчлөлтүүд.

Дээрх жишээн дээр өгсөн эдгээр исэлдэлтийн урвалууд нь явагдаж буй үйл явцын мөн чанарыг зөвхөн ерөнхий утгаараа илэрхийлдэг. Энэ нэгдлүүд нь өндөр молекул жинтэй эсвэл том нүүрстөрөгчийн араг ястай гэдгийг мэддэг тул бүх зүйлийг бүрэн томъёогоор илэрхийлэх боломжгүй юм.

Эдийн амьсгалын энергийн гаралт

Дээрх тайлбараас харахад исэлдэлтийн нийт энергийн гарцыг тооцоолоход хэцүү биш нь ойлгомжтой.

1. Гликолиз нь хоёр ATP молекул үүсгэдэг.
2. Пируват исэлдэлт 12 ATP молекул.
3. Нимбэгийн хүчлийн мөчлөгт 22 молекул.

Хамгийн гол нь: аэробикийн замаар бүрэн биологийн исэлдэлт нь 36 ATP молекултай тэнцэх энергийн гаралтыг өгдөг. Биологийн исэлдэлтийн ач холбогдол нь ойлгомжтой. Энэ энерги нь амьд организмын амьдрал, үйл ажиллагаанаас гадна бие, хөдөлгөөн болон бусад хэрэгцээт зүйлсийг дулаацуулахад ашигладаг.

Субстратын анаэроб исэлдэлт

Биологийн исэлдэлтийн хоёр дахь төрөл нь агааргүй исэлдэлт юм. Өөрөөр хэлбэл, хүн бүр хийдэг, гэхдээ тодорхой зүйлийн бичил биетүүд зогсдог. Энэ бол гликолиз бөгөөд үүнээс болж аэроб ба анаэроб хоёрын хоорондох бодисын цаашдын хувирлын ялгаа нь тодорхой харагддаг.

Энэ замд биологийн исэлдэлтийн үе шат цөөн байна.

1. Гликолиз, өөрөөр хэлбэл глюкозын молекулыг пируват болгох исэлдэлт.
2. Исгэх нь ATP нөхөн төлжилтөд хүргэдэг.

Исгэх нь тухайн организмаас хамаарч өөр өөр байж болно.

Сүүн хүчлийн исгэх

Сүүн хүчлийн бактери болон зарим мөөгөнцөрөөр үүсгэгддэг. Хамгийн гол нь PVC-ийг сүүн хүчлээр сэргээх явдал юм. Энэ процессыг үйлдвэрлэлд дараахыг авахад ашигладаг:

• айраг сүүн бүтээгдэхүүн;
• исгэсэн ногоо, жимс;
• мал амьтны силос.

Энэ төрлийн исгэх нь хүний хэрэгцээнд хамгийн их хэрэглэгддэг.

Архи исгэх

Эрт дээр үеэс хүмүүс мэддэг. Процессын мөн чанар нь PVC-ийг этанол, хоёр нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хоёр молекул болгон хувиргах явдал юм. Энэхүү бүтээгдэхүүний гарцын улмаас ийм төрлийн исгэх аргыг дараахийг олж авахад ашигладаг:

• талх;
• дарс;
• шар айраг;
• чихэр ба бусад.

Мөөгөнцөр, мөөгөнцөр, бактерийн шинж чанартай бичил биетүүдээр үүсгэгддэг.

Бутирийн исгэх

Нэлээд нарийн тодорхой исгэх төрөл. Clostridium төрлийн нянгаар үүсгэгддэг. Хамгийн гол нь пируватыг бутирик хүчил болгон хувиргах нь хоолонд тааламжгүй үнэр, хурц амтыг өгдөг.

Тиймээс ийм замаар явагдах биологийн исэлдэлтийн урвалыг үйлдвэрлэлд бараг ашигладаггүй. Гэвч эдгээр бактери нь хоол хүнсээ өөрөө тарьж, хор хөнөөл учруулж, чанарыг нь бууруулдаг.