Sem energia, nem um único ser vivo pode existir. Afinal, toda reação química, todo processo requer sua presença. É fácil para qualquer um entender e sentir isso. Se você não comer o dia todo, à noite, e possivelmente até mais cedo, os sintomas de fadiga aumentada, letargia começarão, a força diminuirá significativamente.
Como diferentes organismos se adaptaram para obter energia? De onde vem e que processos ocorrem dentro da célula? Vamos tentar entender este artigo.
Obtenção de energia pelos organismos
Independentemente da forma como as criaturas consomem energia, as ORR (reações de oxidação-redução) são sempre a base. Vários exemplos podem ser dados. A equação da fotossíntese, que é realizada por plantas verdes e algumas bactérias, também é OVR. Naturalmente, os processos serão diferentes dependendo do ser vivo.
Então, todos os animais são heterótrofos. Ou seja, tais organismos que não são capazes de formar independentemente compostos orgânicos prontos dentro de si parasua divisão adicional e liberação da energia das ligações químicas.
As plantas, ao contrário, são as mais poderosas produtoras de matéria orgânica do nosso planeta. São eles que realizam um processo complexo e importante chamado fotossíntese, que consiste na formação de glicose a partir da água, dióxido de carbono sob a ação de uma substância especial - a clorofila. O subproduto é o oxigênio, que é a fonte de vida para todos os seres vivos aeróbicos.
Reações redox, cujos exemplos ilustram esse processo:
6CO2 + 6H2O=clorofila=C6H 10O6 + 6O2;
ou
dióxido de carbono + óxido de hidrogênio sob a influência do pigmento clorofila (enzima de reação)=monossacarídeo + oxigênio molecular livre
Há também representantes da biomassa do planeta que são capazes de usar a energia das ligações químicas de compostos inorgânicos. São chamados de quimiotróficos. Estes incluem muitos tipos de bactérias. Por exemplo, microorganismos de hidrogênio que oxidam moléculas de substrato no solo. O processo ocorre de acordo com a fórmula:
História do desenvolvimento do conhecimento da oxidação biológica
O processo subjacente à produção de energia é hoje bem conhecido. Isso é oxidação biológica. A bioquímica estudou as sutilezas e os mecanismos de todos os estágios de ação com tantos detalhes que quase não restam mistérios. No entanto, isso não foisempre.
A primeira menção às transformações mais complexas que ocorrem no interior dos seres vivos, que são reações químicas na natureza, surgiu por volta do século XVIII. Foi nessa época que Antoine Lavoisier, o famoso químico francês, voltou sua atenção para como a oxidação biológica e a combustão são semelhantes. Ele traçou o caminho aproximado do oxigênio absorvido durante a respiração e chegou à conclusão de que os processos de oxidação ocorrem dentro do corpo, apenas mais lentos do que fora durante a combustão de várias substâncias. Ou seja, o agente oxidante - moléculas de oxigênio - reage com compostos orgânicos e, especificamente, com hidrogênio e carbono deles, e ocorre uma transformação completa, acompanhada da decomposição dos compostos.
No entanto, embora essa suposição seja essencialmente real, muitas coisas permaneceram incompreensíveis. Por exemplo:
- como os processos são semelhantes, então as condições para sua ocorrência devem ser idênticas, mas a oxidação ocorre em baixa temperatura corporal;
- a ação não é acompanhada pela liberação de uma enorme quantidade de energia térmica e não há formação de chama;
- os seres vivos contêm pelo menos 75-80% de água, mas isso não impede a "queima" de nutrientes neles.
Levou anos para responder a todas essas perguntas e entender o que realmente é a oxidação biológica.
Existiam diferentes teorias que implicavam a importância da presença de oxigênio e hidrogênio no processo. Os mais comuns e bem sucedidos foram:
- Teoria de Bach, chamadaperóxido;
- Teoria de Palladin, baseada no conceito de "cromógenos".
No futuro, havia muito mais cientistas, tanto na Rússia quanto em outros países do mundo, que gradualmente fizeram acréscimos e mudanças na questão do que é a oxidação biológica. A bioquímica moderna, graças ao seu trabalho, pode contar sobre todas as reações desse processo. Entre os nomes mais famosos nesta área estão os seguintes:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin e outros.
Tipos de oxidação biológica
Existem dois tipos principais de processo em consideração, que ocorrem sob diferentes condições. Assim, a forma mais comum de converter o alimento recebido em muitas espécies de microrganismos e fungos é anaeróbica. Esta é a oxidação biológica, que é realizada sem acesso ao oxigênio e sem sua participação de qualquer forma. Condições semelhantes são criadas onde não há acesso ao ar: subterrâneos, em substratos apodrecidos, lodos, argilas, pântanos e até mesmo no espaço.
Este tipo de oxidação tem outro nome - glicólise. É também uma das etapas de um processo mais complexo e trabalhoso, mas energeticamente rico - transformação aeróbica ou respiração tecidual. Este é o segundo tipo de processo em consideração. Ocorre em todos os seres vivos aeróbicos-heterotróficos, queoxigênio é usado para respirar.
Então os tipos de oxidação biológica são os seguintes.
- Glicólise, via anaeróbica. Não requer a presença de oxigênio e resulta em várias formas de fermentação.
- Respiração tecidual (fosforilação oxidativa), ou visão aeróbica. Requer a presença de oxigênio molecular.
Participantes no processo
Vamos passar à consideração das próprias características que a oxidação biológica contém. Vamos definir os principais compostos e suas abreviações, que usaremos no futuro.
- Acetilcoenzima-A (acetil-CoA) é um condensado de ácido oxálico e acético com uma coenzima, formada no primeiro estágio do ciclo do ácido tricarboxílico.
- O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico, ácidos tricarboxílicos) é uma série de transformações redox sequenciais complexas acompanhadas pela liberação de energia, redução de hidrogênio e formação de importantes produtos de baixo peso molecular. É o elo principal no cata- e anabolismo.
- NAD e NADH - enzima desidrogenase, significa nicotinamida adenina dinucleotídeo. A segunda fórmula é uma molécula com um hidrogênio ligado. NADP - nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato.
- FAD e FADN − flavina adenina dinucleotídeo - coenzima de desidrogenases.
- ATP - ácido trifosfórico adenosina.
- PVC - ácido pirúvico ou piruvato.
- Succinato ou ácido succínico, H3PO4− ácido fosfórico.
- GTP − trifosfato de guanosina, classe de nucleotídeos de purina.
- ETC - cadeia de transporte de elétrons.
- Enzimas do processo: peroxidases, oxigenases, citocromo oxidases, flavina desidrogenases, várias coenzimas e outros compostos.
Todos esses compostos são participantes diretos do processo de oxidação que ocorre nos tecidos (células) dos organismos vivos.
Estágios de oxidação biológica: tabela
| Palco | Processos e Significado |
| Glicólise | A essência do processo está na separação dos monossacarídeos sem oxigênio, que precede o processo de respiração celular e é acompanhado por uma produção de energia igual a duas moléculas de ATP. Piruvato também é formado. Este é o estágio inicial para qualquer organismo vivo de um heterótrofo. Significado na formação do PVC, que entra nas cristas das mitocôndrias e é substrato para a oxidação tecidual pelo oxigênio. Nos anaeróbios, após a glicólise, iniciam-se processos de fermentação de vários tipos. |
| Oxidação do piruvato | Este processo consiste na conversão do PVC formado durante a glicólise em acetil-CoA. É realizado usando um complexo enzimático especializado piruvato desidrogenase. O resultado são moléculas de cetil-CoA que entram no ciclo de Krebs. No mesmo processo, NAD é reduzido a NADH. Local de localização - cristas das mitocôndrias. |
| A quebra dos ácidos graxos beta | Este processo é realizado em paralelo com o anterior nocristas mitocondriais. Sua essência é processar todos os ácidos graxos em acetil-CoA e colocá-lo no ciclo do ácido tricarboxílico. Isso também restaura o NADH. |
| Ciclo de Krebs |
Começa com a conversão de acetil-CoA em ácido cítrico, que sofre transformações posteriores. Uma das etapas mais importantes que inclui a oxidação biológica. Este ácido é exposto a:
Cada processo é feito várias vezes. Resultado: GTP, dióxido de carbono, forma reduzida de NADH e FADH2. Ao mesmo tempo, as enzimas de oxidação biológica estão localizadas livremente na matriz das partículas mitocondriais. |
| Fosforilação oxidativa | Este é o último passo na conversão de compostos em organismos eucarióticos. Neste caso, o difosfato de adenosina é convertido em ATP. A energia necessária para isso é retirada da oxidação dessas moléculas NADH e FADH2 que foram formadas nas etapas anteriores. Através de sucessivas transições ao longo da ETC e uma diminuição dos potenciais, a energia é concluída nas ligações macroérgicas do ATP. |
Estes são todos os processos que acompanham a oxidação biológica com a participação do oxigênio. Naturalmente, eles não são totalmente descritos, mas apenas em essência, pois é necessário um capítulo inteiro do livro para uma descrição detalhada. Todos os processos bioquímicos dos organismos vivos são extremamente multifacetados e complexos.
Reações redox do processo
Reações redox, cujos exemplos podem ilustrar os processos de oxidação do substrato descritos acima, são os seguintes.
- Glicólise: monossacarídeo (glicose) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Oxidação do piruvato: PVC + enzima=dióxido de carbono + acetaldeído. Então o próximo passo: acetaldeído + Coenzima A=acetil-CoA.
- Muitas transformações sucessivas do ácido cítrico no ciclo de Krebs.
Essas reações redox, cujos exemplos são dados acima, refletem a essência dos processos em andamento apenas em termos gerais. Sabe-se que os compostos em questão são de alto peso molecular ou têm um grande esqueleto de carbono, então simplesmente não é possível representar tudo com fórmulas completas.
Energia da respiração dos tecidos
Das descrições acima, é óbvio que não é difícil calcular o rendimento total de energia de toda a oxidação.
- A glicólise produz duas moléculas de ATP.
- Oxidação do piruvato 12 moléculas de ATP.
- 22 moléculas por ciclo de ácido cítrico.
Conclusão: a oxidação biológica completa através da via aeróbica dá uma saída de energia igual a 36 moléculas de ATP. A importância da oxidação biológica é óbvia. É esta energia que é usada pelos organismos vivos para a vida e funcionamento, bem como para o aquecimento de seus corpos, movimento e outras coisas necessárias.
Oxidação anaeróbica do substrato
O segundo tipo de oxidação biológica é anaeróbica. Ou seja, aquele que é realizado por todos, mas no qual os microrganismos de certas espécies param. Isso é glicólise, e é a partir dela que as diferenças na transformação posterior de substâncias entre aeróbios e anaeróbios são claramente traçadas.
Existem poucos passos de oxidação biológica ao longo desta via.
- Glicólise, ou seja, a oxidação de uma molécula de glicose a piruvato.
- Fermentação levando à regeneração de ATP.
A fermentação pode ser de diferentes tipos, dependendo dos organismos envolvidos.
Fermentação do ácido lático
Realizada por bactérias lácticas e alguns fungos. A linha inferior é restaurar o PVC ao ácido lático. Este processo é usado na indústria para obter:
- produtos lácteos fermentados;
- frutas e legumes fermentados;
- silos de animais.
Este tipo de fermentação é um dos mais utilizados nas necessidades humanas.
Fermentação alcoólica
Conhecido pelas pessoas desde a antiguidade. A essência do processo é a conversão do PVC em duas moléculas de etanol e duas de dióxido de carbono. Devido ao rendimento deste produto, este tipo de fermentação é utilizado para obter:
- pão;
- vinho;
- cerveja;
- confeitaria e muito mais.
É realizado por fungos, leveduras e microrganismos de natureza bacteriana.
Fermentação butírica
Um tipo de fermentação bastante específico. Realizado por bactérias do gênero Clostridium. O resultado final é a conversão do piruvato em ácido butírico, que confere aos alimentos um odor desagradável e sabor rançoso.
Portanto, reações de oxidação biológica que seguem esse caminho praticamente não são utilizadas na indústria. No entanto, essas bactérias semeiam alimentos por conta própria e causam danos, diminuindo sua qualidade.
