Oxidació biològica. Reaccions redox: exemples

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2024-01-15 17:22

Sense energia, no pot existir ni un sol ésser viu. Després de tot, cada reacció química, cada procés requereix la seva presència. És fàcil per a qualsevol entendre i sentir això. Si no mengeu menjar durant tot el dia, al vespre, i possiblement fins i tot abans, començaran els símptomes d'augment de la fatiga, la letargia i la força disminuirà significativament.

Com s'han adaptat els diferents organismes per obtenir energia? D'on prové i quins processos tenen lloc a l'interior de la cèl·lula? Intentem entendre aquest article.

Aconseguir energia pels organismes

Sigui com sigui com les criatures consumeixen energia, les ORR (reaccions d'oxidació-reducció) sempre són la base. Es poden donar diversos exemples. L'equació de la fotosíntesi, que la duen a terme les plantes verdes i alguns bacteris, també és OVR. Naturalment, els processos diferiran en funció de quin ésser viu es refereixi.

Per tant, tots els animals són heteròtrofs. És a dir, aquests organismes que no són capaços de formar independentment compostos orgànics preparats dins d'ells mateixosla seva posterior divisió i alliberament de l'energia dels enllaços químics.

Les plantes, per contra, són el productor de matèria orgànica més potent del nostre planeta. Són ells els que duen a terme un procés complex i important anomenat fotosíntesi, que consisteix en la formació de glucosa a partir d'aigua, diòxid de carboni sota l'acció d'una substància especial: la clorofil·la. El subproducte és l'oxigen, que és la font de vida de tots els éssers vius aeròbics.

Reaccions redox, exemples de les quals il·lustren aquest procés:

6CO₂ + 6H₂O=clorofil·la=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

o

diòxid de carboni + òxid d'hidrogen sota la influència del pigment de la clorofil·la (enzim de reacció)=monosacàrid + oxigen molecular lliure

També hi ha representants de la biomassa del planeta que són capaços d'utilitzar l'energia dels enllaços químics dels compostos inorgànics. S'anomenen quimiòtrofs. Aquests inclouen molts tipus de bacteris. Per exemple, els microorganismes d'hidrogen que oxiden les molècules del substrat al sòl. El procés es realitza segons la fórmula:

Història del desenvolupament del coneixement de l'oxidació biològica

El procés que subjau a la producció d'energia és ben conegut avui dia. Això és oxidació biològica. La bioquímica ha estudiat les subtileses i els mecanismes de totes les etapes d'acció amb tal detall que gairebé no queden misteris. Tanmateix, això no va sersempre.

La primera menció de les transformacions més complexes que es produeixen a l'interior dels éssers vius, que són reaccions químiques a la natura, va aparèixer cap al segle XVIII. Va ser en aquest moment quan Antoine Lavoisier, el famós químic francès, va centrar la seva atenció en la semblança que són l'oxidació biològica i la combustió. Va traçar el camí aproximat de l'oxigen absorbit durant la respiració i va arribar a la conclusió que els processos d'oxidació es produeixen a l'interior del cos, només que més lents que a l'exterior durant la combustió de diverses substàncies. És a dir, l'agent oxidant -molècules d'oxigen- reacciona amb els compostos orgànics, i concretament, amb l'hidrogen i el carboni d'ells, i es produeix una transformació completa, acompanyada de la descomposició dels compostos.

No obstant això, tot i que aquesta suposició és essencialment real, moltes coses van quedar incomprensibles. Per exemple:

• ja que els processos són similars, les condicions per a la seva aparició haurien de ser idèntiques, però l'oxidació es produeix a baixa temperatura corporal;
• l'acció no va acompanyada de l'alliberament d'una gran quantitat d'energia tèrmica i no hi ha formació de flama;

Els

• els éssers vius contenen almenys un 75-80% d'aigua, però això no impedeix la "crema" de nutrients en ells.

Va trigar anys a respondre totes aquestes preguntes i entendre què és realment l'oxidació biològica.

Hi havia diferents teories que implicaven la importància de la presència d'oxigen i hidrogen en el procés. Els més habituals i amb més èxit van ser:

• Teoria de Bach, anomenadaperòxid;
• Teoria de Paladí, basada en el concepte de "cromògens".

En el futur, hi va haver molts més científics, tant a Rússia com a altres països del món, que a poc a poc van fer addicions i canvis a la qüestió de què és l'oxidació biològica. La bioquímica moderna, gràcies al seu treball, pot explicar totes les reaccions d'aquest procés. Entre els noms més famosos d'aquesta zona hi ha els següents:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulachev;
• Krebs;
• Verd;
• B. A. Engelhardt;
• Kailin i altres.

Tipus d'oxidació biològica

Hi ha dos tipus principals de procés en consideració, que es produeixen en condicions diferents. Així doncs, la forma més habitual de convertir els aliments rebuts en moltes espècies de microorganismes i fongs és anaeròbica. Es tracta d'una oxidació biològica, que es realitza sense accés a l'oxigen i sense la seva participació en cap forma. Es creen condicions similars on no hi ha accés a l'aire: sota terra, en substrats podrits, llims, argiles, pantans i fins i tot a l'espai.

Aquest tipus d'oxidació té un altre nom: glucòlisi. També és una de les etapes d'un procés més complex i laboriós, però ric en energia: transformació aeròbica o respiració dels teixits. Aquest és el segon tipus de procés a considerar. Es dóna en tots els éssers vius aeròbics-heteròtrofs, quel'oxigen s'utilitza per respirar.

Per tant, els tipus d'oxidació biològica són els següents.

1. Glucòlisi, via anaeròbica. No requereix la presència d'oxigen i dóna lloc a diverses formes de fermentació.
2. Respiració dels teixits (fosforilació oxidativa) o visió aeròbica. Requereix la presència d'oxigen molecular.

Participants en el procés

Passem a la consideració de les mateixes característiques que conté l'oxidació biològica. Definim els principals compostos i les seves abreviatures, que utilitzarem en el futur.

1. L'acetilcoenzim-A (acetil-CoA) és un condensat d'àcid oxàlic i acètic amb un coenzim, format a la primera etapa del cicle de l'àcid tricarboxílic.
2. El cicle de Krebs (cicle de l'àcid cítric, àcids tricarboxílics) és una sèrie de transformacions redox seqüencials complexes acompanyades de l'alliberament d'energia, reducció d'hidrogen i la formació d'importants productes de baix pes molecular. És l'enllaç principal en cata i anabolisme.
3. NAD i NADH - enzim deshidrogenasa, significa nicotinamida adenina dinucleòtid. La segona fórmula és una molècula amb un hidrogen unit. NADP - nicotinamida adenina dinucleòtid fosfat.
4. FAD i FADN - flavina adenina dinucleòtid - coenzim de deshidrogenases.
5. ATP - àcid adenosina trifosfòric.
6. PVC - àcid pirúvic o piruvat.
7. Succinat o àcid succínic, H₃PO₄− àcid fosfòric.
8. GTP − trifosfat de guanosina, classe de nucleòtids purínics.
9. ETC - cadena de transport d'electrons.
10. Enzims del procés: peroxidases, oxigenases, citocrom oxidases, flavin deshidrogenases, diversos coenzims i altres compostos.

Tots aquests compostos participen directament en el procés d'oxidació que té lloc als teixits (cèl·lules) dels organismes vius.

Etapes d'oxidació biològica: taula

Stage	Processos i significat
Glucòlisi	L'essència del procés rau en la divisió lliure d'oxigen dels monosacàrids, que precedeix el procés de respiració cel·lular i s'acompanya d'una producció d'energia igual a dues molècules d'ATP. També es forma piruvat. Aquesta és l'etapa inicial de qualsevol organisme viu d'un heteròtrof. Importància en la formació de PVC, que entra a les crestas dels mitocondris i és un substrat per a l'oxidació dels teixits per oxigen. En els anaerobis, després de la glucòlisi, comencen processos de fermentació de diversos tipus.
Oxidació de piruvat	Aquest procés consisteix en la conversió del PVC format durant la glucòlisi en acetil-CoA. Es realitza utilitzant un complex enzimàtic especialitzat piruvat deshidrogenasa. El resultat són molècules de cetil-CoA que entren al cicle de Krebs. En el mateix procés, el NAD es redueix a NADH. Lloc de localització: crestas de mitocondris.
La descomposició dels àcids grassos beta	Aquest procés es realitza paral·lelament a l'anteriorcrestes mitocondrials. La seva essència és processar tots els àcids grassos en acetil-CoA i posar-lo en el cicle de l'àcid tricarboxílic. Això també restaura el NADH.
cicle de Krebs	Comença amb la conversió de l'acetil-CoA en àcid cítric, que experimenta més transformacions. Una de les etapes més importants que inclou l'oxidació biològica. Aquest àcid està exposat a: deshidrogenació; descarboxilació; regeneració. Cada procés es fa diverses vegades. Resultat: GTP, diòxid de carboni, forma reduïda de NADH i FADH2. Al mateix temps, els enzims d'oxidació biològica es troben lliurement a la matriu de partícules mitocondrials.
Fosforilació oxidativa	Aquest és l'últim pas en la conversió de compostos en organismes eucariotes. En aquest cas, l'adenosina difosfat es converteix en ATP. L'energia necessària per a això s'obté de l'oxidació d'aquelles molècules de NADH i FADH2 que es van formar en les etapes anteriors. A través de successives transicions al llarg de l'ETC i una disminució dels potencials, l'energia es conclou en enllaços macroèrgics d'ATP.

Són tots processos que acompanyen l'oxidació biològica amb la participació de l'oxigen. Naturalment, no es descriuen completament, sinó només en essència, ja que es necessita un capítol sencer del llibre per a una descripció detallada. Tots els processos bioquímics dels organismes vius són extremadament polifacètics i complexos.

Reaccions redox del procés

Les reaccions redox, exemples de les quals poden il·lustrar els processos d'oxidació de substrats descrits anteriorment, són els següents.

1. Glucòlisi: monosacàrid (glucosa) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Oxidació del piruvat: PVC + enzim=diòxid de carboni + acetaldehid. A continuació, el següent pas: acetaldehid + coenzim A=acetil-CoA.
3. Moltes transformacions successives de l'àcid cítric en el cicle de Krebs.

Aquestes reaccions redox, exemples de les quals es donen més amunt, reflecteixen l'essència dels processos en curs només en termes generals. Se sap que els compostos en qüestió tenen un pes molecular elevat o tenen un gran esquelet de carboni, de manera que simplement no és possible representar-ho tot amb fórmules completes.

Producció energètica de la respiració dels teixits

A partir de les descripcions anteriors, és obvi que no és difícil calcular el rendiment energètic total de tota l'oxidació.

1. La glucòlisi produeix dues molècules d'ATP.
2. Oxidació del piruvat 12 molècules d'ATP.
3. 22 molècules per cicle d'àcid cítric.

Conclusió: l'oxidació biològica completa a través de la via aeròbica dóna una producció d'energia igual a 36 molècules d'ATP. La importància de l'oxidació biològica és evident. És aquesta energia que utilitzen els organismes vius per a la vida i el funcionament, així com per escalfar els seus cossos, per al moviment i altres coses necessàries.

Oxidació anaeròbica del substrat

El segon tipus d'oxidació biològica és anaeròbica. És a dir, una que la realitza tothom, però sobre la qual s'aturen microorganismes de determinades espècies. Aquesta és la glucòlisi, i és a partir d'ella que es tracen clarament les diferències en la transformació posterior de substàncies entre aerobis i anaerobis.

Hi ha pocs passos d'oxidació biològica al llarg d'aquest camí.

1. Glucòlisi, és a dir, l'oxidació d'una molècula de glucosa a piruvat.
2. Fermentació que condueix a la regeneració d'ATP.

La fermentació pot ser de diferents tipus, segons els organismes implicats.

Fermentació d'àcid làctic

Realitzat per bacteris làctics i alguns fongs. El resultat final és restaurar el PVC a l'àcid làctic. Aquest procés s'utilitza a la indústria per obtenir:

• productes làctics fermentats;
• verdures i fruites fermentades;
• sitges per a animals.

Aquest tipus de fermentació és una de les més utilitzades en les necessitats humanes.

Fermentació alcohòlica

Conegut per la gent des de l'antiguitat. L'essència del procés és la conversió de PVC en dues molècules d'etanol i dues de diòxid de carboni. A causa d'aquest rendiment de producte, aquest tipus de fermentació s'utilitza per obtenir:

• pa;
• vi;
• cervesa;
• refiteria i més.

És dut a terme per fongs, llevats i microorganismes de naturalesa bacteriana.

Fermentació butírica

Un tipus de fermentació força específic. Realitzat per bacteris del gènere Clostridium. El resultat final és la conversió del piruvat en àcid butíric, que dóna als aliments una olor desagradable i un gust ranci.

Per tant, les reaccions d'oxidació biològica que segueixen aquest camí pràcticament no s'utilitzen a la indústria. No obstant això, aquests bacteris sembren aliments per si mateixos i causen danys, la qual cosa redueix la seva qualitat.