ბიოლოგიური დაჟანგვა. რედოქსის რეაქციები: მაგალითები

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-15 17:26

ენერგიის გარეშე ვერც ერთი ცოცხალი არსება ვერ იარსებებს. ყოველივე ამის შემდეგ, ყველა ქიმიური რეაქცია, ყველა პროცესი მოითხოვს მის არსებობას. ვინმესთვის ამის გაგება და შეგრძნება ადვილია. თუ მთელი დღე საჭმელს არ მიირთმევთ, მაშინ საღამოს და შესაძლოა უფრო ადრეც დაიწყება მომატებული დაღლილობის სიმპტომები, ლეტარგია, ძალა საგრძნობლად შემცირდება.

როგორ ადაპტირდნენ სხვადასხვა ორგანიზმები ენერგიის მისაღებად? საიდან მოდის ის და რა პროცესები მიმდინარეობს უჯრედის შიგნით? შევეცადოთ გავიგოთ ეს სტატია.

ენერგიის მიღება ორგანიზმების მიერ

როგორც არ უნდა მოიხმარონ არსებები ენერგიას, ORR (დაჟანგვა-აღდგენითი რეაქციები) ყოველთვის არის საფუძველი. სხვადასხვა მაგალითების მოყვანა შეიძლება. ფოტოსინთეზის განტოლება, რომელსაც ახორციელებენ მწვანე მცენარეები და ზოგიერთი ბაქტერია, ასევე არის OVR. ბუნებრივია, პროცესები განსხვავდება იმისდა მიხედვით, თუ რომელი ცოცხალი არსება იგულისხმება.

ასე რომ, ყველა ცხოველი ჰეტეროტროფია. ანუ ისეთ ორგანიზმებს, რომლებსაც არ შეუძლიათ დამოუკიდებლად შექმნან მზა ორგანული ნაერთები საკუთარ თავშიმათი შემდგომი გაყოფა და ქიმიური ბმების ენერგიის გამოყოფა.

პირიქით, მცენარეები ორგანული ნივთიერებების ყველაზე ძლიერი მწარმოებელია ჩვენს პლანეტაზე. სწორედ ისინი ახორციელებენ რთულ და მნიშვნელოვან პროცესს, რომელსაც ეწოდება ფოტოსინთეზი, რომელიც შედგება წყლისგან გლუკოზის, ნახშირორჟანგის წარმოქმნაში სპეციალური ნივთიერების - ქლოროფილის მოქმედებით. გვერდითი პროდუქტია ჟანგბადი, რომელიც სიცოცხლის წყაროა ყველა აერობული ცოცხალი არსებისთვის.

რედოქსის რეაქციები, რომელთა მაგალითები ასახავს ამ პროცესს:

6CO₂ + 6H₂O=ქლოროფილი=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

ან

ნახშირორჟანგი + წყალბადის ოქსიდი ქლოროფილის პიგმენტის გავლენით (რეაქციის ფერმენტი)=მონოსაქარიდი + თავისუფალი მოლეკულური ჟანგბადი

არსებობენ პლანეტის ბიომასის ისეთი წარმომადგენლებიც, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიყენონ არაორგანული ნაერთების ქიმიური ბმების ენერგია. მათ ქიმიოტროფებს უწოდებენ. მათ შორისაა მრავალი სახის ბაქტერია. მაგალითად, წყალბადის მიკროორგანიზმები, რომლებიც ჟანგავს ნიადაგის სუბსტრატის მოლეკულებს. პროცესი ხდება ფორმულის მიხედვით:

ბიოლოგიური დაჟანგვის ცოდნის განვითარების ისტორია

პროცესი, რომელიც ეფუძნება ენერგიის წარმოებას, დღეს კარგად არის ცნობილი. ეს არის ბიოლოგიური დაჟანგვა. ბიოქიმიამ ისე დეტალურად შეისწავლა მოქმედების ყველა ეტაპის დახვეწილობა და მექანიზმი, რომ თითქმის აღარაფერი საიდუმლო დარჩა. თუმცა, ეს არ იყოყოველთვის.

პირველი ნახსენები ცოცხალ არსებებში მომხდარი ყველაზე რთული გარდაქმნების შესახებ, რომლებიც წარმოადგენენ ქიმიურ რეაქციებს ბუნებაში, გაჩნდა დაახლოებით მე-18 საუკუნეში. სწორედ ამ დროს ცნობილმა ფრანგმა ქიმიკოსმა ანტუან ლავუაზიემ ყურადღება გაამახვილა იმაზე, თუ რამდენად მსგავსია ბიოლოგიური დაჟანგვა და წვა. მან მიაკვლია სუნთქვის დროს შთანთქმის ჟანგბადის მიახლოებით გზას და მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ ჟანგვის პროცესები ხდება სხეულის შიგნით, მხოლოდ უფრო ნელა, ვიდრე გარეთ სხვადასხვა ნივთიერების წვის დროს. ანუ ჟანგვის აგენტი - ჟანგბადის მოლეკულები - რეაგირებს ორგანულ ნაერთებთან და კონკრეტულად მათგან წყალბადთან და ნახშირბადთან და ხდება სრული ტრანსფორმაცია, რომელსაც თან ახლავს ნაერთების დაშლა.

თუმცა, მიუხედავად იმისა, რომ ეს ვარაუდი არსებითად საკმაოდ რეალურია, ბევრი რამ გაუგებარი დარჩა. მაგალითად:

• რადგან პროცესები მსგავსია, მაშინ მათი წარმოქმნის პირობები უნდა იყოს იდენტური, მაგრამ დაჟანგვა ხდება სხეულის დაბალ ტემპერატურაზე;
• მოქმედებას არ ახლავს დიდი რაოდენობით თერმული ენერგიის გამოყოფა და არ წარმოიქმნება ალი;
• ცოცხალი არსებები შეიცავს მინიმუმ 75-80% წყალს, მაგრამ ეს ხელს არ უშლის მათში საკვები ნივთიერებების "დაწვას".

წლები დასჭირდა ყველა ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად და იმის გაგებას, თუ რა არის სინამდვილეში ბიოლოგიური დაჟანგვა.

არსებობდა სხვადასხვა თეორიები, რომლებიც გულისხმობდნენ პროცესში ჟანგბადისა და წყალბადის არსებობის მნიშვნელობას. ყველაზე გავრცელებული და წარმატებული იყო:

• ბახის თეორია, ე.წპეროქსიდი;
• პალადინის თეორია, დაფუძნებული "ქრომოგენების" კონცეფციაზე.

მომავალში კიდევ ბევრი მეცნიერი იყო, როგორც რუსეთში, ისე მსოფლიოს სხვა ქვეყნებში, რომლებმაც თანდათან შეიტანეს დამატებები და ცვლილებები კითხვაზე, რა არის ბიოლოგიური დაჟანგვა. თანამედროვე ბიოქიმიას, მათი მუშაობის წყალობით, შეუძლია თქვას ამ პროცესის ყველა რეაქციაზე. ამ სფეროში ყველაზე ცნობილ სახელებს შორისაა შემდეგი:

• მიტჩელი;
• S. ვ. სევერინი;
• ვარბურგი;
• B. ა. ბელიცერი;
• ლენინჯერ;
• B. პ. სკულაჩევი;
• კრებსი;
• მწვანე;
• B. ა. ენგელჰარდტი;
• კაილინი და სხვები.

ბიოლოგიური დაჟანგვის სახეები

განიხილება პროცესის ორი ძირითადი ტიპი, რომლებიც ხდება სხვადასხვა პირობებში. ასე რომ, მრავალი სახეობის მიკროორგანიზმებსა და სოკოებში მიღებული საკვების გარდაქმნის ყველაზე გავრცელებული გზა ანაერობულია. ეს არის ბიოლოგიური დაჟანგვა, რომელიც ხორციელდება ჟანგბადის წვდომის გარეშე და მისი რაიმე ფორმით მონაწილეობის გარეშე. მსგავსი პირობები იქმნება იქ, სადაც არ არის ჰაერზე წვდომა: მიწისქვეშა, გახრწნილ სუბსტრატებში, სილაში, თიხებში, ჭაობებში და კოსმოსშიც კი.

ამ ტიპის დაჟანგვას სხვა სახელიც აქვს - გლიკოლიზი. ეს არის ასევე უფრო რთული და შრომატევადი, მაგრამ ენერგიულად მდიდარი პროცესის - აერობული ტრანსფორმაციის ან ქსოვილის სუნთქვის ერთ-ერთი ეტაპი. ეს არის მეორე ტიპის პროცესი, რომელიც განიხილება. ის გვხვდება ყველა აერობულ ცოცხალ არსებაში - ჰეტეროტროფებში, რომლებიცჟანგბადი გამოიყენება სუნთქვისთვის.

ასე რომ, ბიოლოგიური დაჟანგვის ტიპები შემდეგია.

1. გლიკოლიზი, ანაერობული გზა. არ საჭიროებს ჟანგბადის არსებობას და იწვევს ფერმენტაციის სხვადასხვა ფორმებს.
2. ქსოვილის სუნთქვა (ოქსიდაციური ფოსფორილირება), ან აერობული ხედი. მოითხოვს მოლეკულური ჟანგბადის არსებობას.

პროცესის მონაწილეები

მოდით გადავიდეთ იმ მახასიათებლების განხილვაზე, რომლებსაც შეიცავს ბიოლოგიური დაჟანგვა. განვსაზღვროთ ძირითადი ნაერთები და მათი შემოკლებები, რომლებსაც მომავალში გამოვიყენებთ.

1. აცეტილკოენზიმ-A (აცეტილ-CoA) არის ოქსილის და ძმარმჟავას კონდენსატი კოენზიმთან ერთად, რომელიც წარმოიქმნება ტრიკარბოქსილის მჟავას ციკლის პირველ ეტაპზე.
2. კრებსის ციკლი (ლიმონმჟავას ციკლი, ტრიკარბოქსილის მჟავები) არის რთული თანმიმდევრული რედოქს ტრანსფორმაციების სერია, რომელსაც თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა, წყალბადის შემცირება და მნიშვნელოვანი დაბალი მოლეკულური წონის პროდუქტების ფორმირება. ეს არის კატა- და ანაბოლიზმის მთავარი რგოლი.
3. NAD და NADH - დეჰიდროგენაზას ფერმენტი, ნიშნავს ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდს. მეორე ფორმულა არის მოლეკულა მიმაგრებული წყალბადით. NADP - ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატი.
4. FAD და FADN − ფლავინის ადენინ დინუკლეოტიდი - დეჰიდროგენაზების კოენზიმი.
5. ATP - ადენოზინტრიფოსფორის მჟავა.
6. PVC - პირუვინის მჟავა ან პირუვატი.
7. სუკცინატი ან სუქცინის მჟავა, H₃PO₄− ფოსფორის მჟავა.
8. GTP − გუანოზინტრიფოსფატი, პურინის ნუკლეოტიდების კლასი.
9. ETC - ელექტრონის ტრანსპორტირების ჯაჭვი.
10. პროცესის ფერმენტები: პეროქსიდაზები, ოქსიგენაზები, ციტოქრომ ოქსიდაზები, ფლავინის დეჰიდროგენაზები, სხვადასხვა კოენზიმები და სხვა ნაერთები.

ყველა ეს ნაერთი უშუალო მონაწილეა ჟანგვის პროცესში, რომელიც ხდება ცოცხალი ორგანიზმების ქსოვილებში (უჯრედებში).

ბიოლოგიური დაჟანგვის ეტაპები: ცხრილი

ეტაპი	პროცესები და მნიშვნელობა
გლიკოლიზი	პროცესის არსი მდგომარეობს მონოსაქარიდების ჟანგბადის გარეშე დაყოფაში, რომელიც წინ უსწრებს უჯრედული სუნთქვის პროცესს და თან ახლავს ენერგიის გამომუშავება, რომელიც ტოლია ATP-ის ორი მოლეკულის. პირუვატიც იქმნება. ეს არის საწყისი ეტაპი ჰეტეროტროფის ნებისმიერი ცოცხალი ორგანიზმისთვის. მნიშვნელობა PVC-ის ფორმირებაში, რომელიც შედის მიტოქონდრიის კრისტებში და წარმოადგენს სუბსტრატს ჟანგბადით ქსოვილის დაჟანგვისთვის. ანაერობებში გლიკოლიზის შემდეგ იწყება სხვადასხვა ტიპის დუღილის პროცესები.
პირუვატის დაჟანგვა	ეს პროცესი მოიცავს გლიკოლიზის დროს წარმოქმნილი PVC-ის გარდაქმნას აცეტილ-CoA-ად. იგი ხორციელდება სპეციალიზებული ფერმენტული კომპლექსის პირუვატ დეჰიდროგენაზას გამოყენებით. შედეგი არის ცეტილ-CoA მოლეკულები, რომლებიც შედიან კრებსის ციკლში. ამავე პროცესში, NAD მცირდება NADH-მდე. ლოკალიზაციის ადგილი - მიტოქონდრიის cristae.
ბეტა ცხიმოვანი მჟავების დაშლა	ეს პროცესი ტარდება წინა პროცესის პარალელურადმიტოქონდრიული კრისტალები. მისი არსი არის ყველა ცხიმოვანი მჟავის გადამუშავება აცეტილ-CoA-ში და ტრიკარბოქსილის მჟავას ციკლში მოქცევა. ეს ასევე აღადგენს NADH-ს.
კრების ციკლი	იწყება აცეტილ-CoA-ს ლიმონმჟავად გარდაქმნით, რომელიც შემდგომ გარდაქმნებს განიცდის. ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ეტაპი, რომელიც მოიცავს ბიოლოგიურ დაჟანგვას. ეს მჟავა ექვემდებარება: დეჰიდროგენაცია; დეკარბოქსილაცია; რეგენერაცია. თითოეული პროცესი რამდენჯერმე კეთდება. შედეგი: GTP, ნახშირორჟანგი, შემცირებული ფორმა NADH და FADH2. ამავდროულად, ბიოლოგიური დაჟანგვის ფერმენტები თავისუფლად განლაგებულია მიტოქონდრიული ნაწილაკების მატრიცაში.
ოქსიდაციური ფოსფორილირება	ეს არის ევკარიოტულ ორგანიზმებში ნაერთების გარდაქმნის ბოლო ნაბიჯი. ამ შემთხვევაში ადენოზინის დიფოსფატი გარდაიქმნება ATP-ად. ამისთვის საჭირო ენერგია აღებულია იმ NADH და FADH2 მოლეკულების დაჟანგვიდან, რომლებიც წარმოიქმნება წინა ეტაპებზე. ETC-ის გასწვრივ თანმიმდევრული გადასვლებით და პოტენციალების შემცირებით, ენერგია ფორმდება ATP-ის მაკროერგიულ ბმებში.

ეს არის ყველა პროცესი, რომელიც თან ახლავს ბიოლოგიურ დაჟანგვას ჟანგბადის მონაწილეობით. ბუნებრივია, ისინი სრულად არ არის აღწერილი, მაგრამ მხოლოდ არსებითად, ვინაიდან დეტალური აღწერისთვის საჭიროა წიგნის მთელი თავი. ცოცხალი ორგანიზმების ყველა ბიოქიმიური პროცესი უკიდურესად მრავალმხრივი და რთულია.

პროცესის რედოქს რეაქციები

რედოქსის რეაქციები, რომელთა მაგალითებს შეუძლიათ აჩვენონ ზემოთ აღწერილი სუბსტრატის დაჟანგვის პროცესები, შემდეგია.

1. გლიკოლიზი: მონოსაქარიდი (გლუკოზა) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. პირუვატის დაჟანგვა: PVC + ფერმენტი=ნახშირორჟანგი + აცეტალდეჰიდი. შემდეგ შემდეგი ნაბიჯი: აცეტალდეჰიდი + კოენზიმი A=აცეტილ-CoA.
3. ლიმონმჟავას მრავალი თანმიმდევრული ტრანსფორმაცია კრებსის ციკლში.

ეს რედოქსული რეაქციები, რომელთა მაგალითები მოცემულია ზემოთ, მხოლოდ ზოგადი თვალსაზრისით ასახავს მიმდინარე პროცესების არსს. ცნობილია, რომ მოცემული ნაერთები ან მაღალი მოლეკულური წონაა, ან აქვთ დიდი ნახშირბადის ჩონჩხი, ამიტომ უბრალოდ შეუძლებელია ყველაფრის სრული ფორმულებით წარმოდგენა.

ქსოვილოვანი სუნთქვის ენერგიის გამომუშავება

ზემოხსენებული აღწერებიდან აშკარაა, რომ არ არის რთული მთლიანი დაჟანგვის მთლიანი ენერგიის გამოთვლა.

1. გლიკოლიზი წარმოქმნის ორ ATP მოლეკულას.
2. პირუვატის დაჟანგვა 12 ATP მოლეკულა.
3. 22 მოლეკულა ლიმონმჟავას ციკლში.

დედააზრი: სრული ბიოლოგიური დაჟანგვა აერობული გზის მეშვეობით იძლევა ენერგიის გამომუშავებას 36 ATP მოლეკულის ტოლი. ბიოლოგიური დაჟანგვის მნიშვნელობა აშკარაა. სწორედ ამ ენერგიას იყენებენ ცოცხალი ორგანიზმები სიცოცხლისა და ფუნქციონირებისთვის, ასევე მათი სხეულის დათბობისთვის, მოძრაობისთვის და სხვა საჭირო ნივთებისთვის.

სუბსტრატის ანაერობული დაჟანგვა

ბიოლოგიური დაჟანგვის მეორე ტიპი არის ანაერობული. ანუ ის, რომელსაც ყველა ახორციელებს, მაგრამ რომელზედაც ჩერდება გარკვეული სახეობის მიკროორგანიზმები. ეს არის გლიკოლიზი და მისგან აშკარად ჩანს აერობებსა და ანაერობებს შორის ნივთიერებების შემდგომი ტრანსფორმაციის განსხვავებები.

ამ გზაზე ბიოლოგიური დაჟანგვის რამდენიმე საფეხურია.

1. გლიკოლიზი, ანუ გლუკოზის მოლეკულის დაჟანგვა პირუვატად.
2. ფერმენტაცია, რომელიც იწვევს ATP რეგენერაციას.

ფერმენტაცია შეიძლება იყოს სხვადასხვა ტიპის, ჩართული ორგანიზმების მიხედვით.

რძემჟავა დუღილი

ახორციელებს რძემჟავა ბაქტერიები და ზოგიერთი სოკო. მთავარია PVC-ის აღდგენა რძემჟავა. ეს პროცესი გამოიყენება ინდუსტრიაში, რათა მივიღოთ:

• ფერმენტირებული რძის პროდუქტები;
• ფერმენტირებული ბოსტნეული და ხილი;
• ცხოველთა სილოები.

ამ ტიპის დუღილი ერთ-ერთი ყველაზე მეტად გამოიყენება ადამიანის საჭიროებებში.

ალკოჰოლის დუღილი

ხალხისთვის ცნობილია ანტიკურ დროიდან. პროცესის არსი არის PVC-ის გადაქცევა ეთანოლის ორ მოლეკულად და ორ ნახშირორჟანგად. ამ პროდუქტის მოსავლიანობის გამო, ამ ტიპის დუღილი გამოიყენება:

• პური;
• ღვინო;
• ლუდი;
• საკონდიტრო ნაწარმი და სხვა.

აწარმოებს სოკოები, საფუარი და ბაქტერიული ხასიათის მიკროორგანიზმები.

ბუტირული დუღილი

ფერმენტაციის საკმაოდ ვიწრო სპეციფიკური ტიპი. ახორციელებს Clostridium-ის გვარის ბაქტერიები. დასკვნა არის პირუვატის გარდაქმნა ბუტირინის მჟავად, რაც საკვებს აძლევს უსიამოვნო სუნს და მჟავე გემოს.

აქედან გამომდინარე, ბიოლოგიური დაჟანგვის რეაქციები ამ გზაზე პრაქტიკულად არ გამოიყენება ინდუსტრიაში. თუმცა ეს ბაქტერიები საკვებს დამოუკიდებლად თესავს და ზიანს აყენებს, აქვეითებს მათ ხარისხს.