Biologische Oxidation. Redoxreaktionen: Beispiele

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-15 17:22

Ohne Energie kann kein einziges Lebewesen existieren. Schließlich benötigt jede chemische Reaktion, jeder Prozess seine Anwesenheit. Es ist für jeden leicht zu verstehen und zu fühlen. Wenn Sie den ganzen Tag nichts essen, dann treten am Abend und möglicherweise sogar früher Symptome einer erhöhten Müdigkeit, Lethargie auf, die Kraft nimmt deutlich ab.

Wie haben sich verschiedene Organismen angepasst, um Energie zu gewinnen? Woher kommt es und welche Prozesse laufen in der Zelle ab? Versuchen wir, diesen Artikel zu verstehen.

Energiegewinnung durch Organismen

Wie auch immer Lebewesen Energie verbrauchen, ORR (Oxidations-Reduktions-Reaktionen) sind immer die Grundlage. Es können verschiedene Beispiele angeführt werden. Die Gleichung der Photosynthese, die von grünen Pflanzen und einigen Bakterien durchgeführt wird, ist ebenfalls OVR. Natürlich unterscheiden sich die Prozesse, je nachdem, um welches Lebewesen es sich handelt.

Also sind alle Tiere heterotroph. Das heißt, solche Organismen, die nicht in der Lage sind, fertige organische Verbindungen in sich selbst zu bilden, zihre weitere Aufsp altung und Freisetzung der Energie chemischer Bindungen.

Pflanzen hingegen sind die stärksten Produzenten organischer Stoffe auf unserem Planeten. Sie führen einen komplexen und wichtigen Prozess namens Photosynthese durch, der in der Bildung von Glukose aus Wasser und Kohlendioxid unter Einwirkung einer speziellen Substanz - Chlorophyll - besteht. Das Nebenprodukt ist Sauerstoff, der die Lebensquelle aller aeroben Lebewesen ist.

Redox-Reaktionen, Beispiele, die diesen Vorgang veranschaulichen:

6CO₂ + 6H₂O=Chlorophyll=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

oder

Kohlendioxid + Wasserstoffoxid unter dem Einfluss von Chlorophyllfarbstoff (Reaktionsenzym)=Monosaccharid + freier molekularer Sauerstoff

Es gibt auch solche Vertreter der Biomasse des Planeten, die in der Lage sind, die Energie chemischer Bindungen anorganischer Verbindungen zu nutzen. Sie werden Chemotrophe genannt. Dazu gehören viele Arten von Bakterien. Zum Beispiel Wasserstoffmikroorganismen, die Substratmoleküle im Boden oxidieren. Der Ablauf erfolgt nach der Formel:

Entwicklungsgeschichte des Wissens über die biologische Oxidation

Der Prozess, der der Energiegewinnung zugrunde liegt, ist heute gut bekannt. Das ist biologische Oxidation. Die Biochemie hat die Feinheiten und Mechanismen aller Wirkstadien so detailliert studiert, dass es fast keine Rätsel mehr gibt. Dies war jedoch nicht der Fallimmer.

Die ersten Erwähnungen der komplexesten Transformationen, die im Inneren von Lebewesen ablaufen, die chemische Reaktionen in der Natur sind, erschienen um das 18. Jahrhundert. Zu dieser Zeit richtete Antoine Lavoisier, der berühmte französische Chemiker, seine Aufmerksamkeit darauf, wie ähnlich biologische Oxidation und Verbrennung sind. Er verfolgte den ungefähren Weg des beim Atmen aufgenommenen Sauerstoffs und kam zu dem Schluss, dass Oxidationsprozesse im Inneren des Körpers nur langsamer ablaufen als außerhalb bei der Verbrennung verschiedener Substanzen. Das heißt, das Oxidationsmittel - Sauerstoffmoleküle - reagiert mit organischen Verbindungen und insbesondere mit Wasserstoff und Kohlenstoff aus ihnen, und es findet eine vollständige Umwandlung statt, begleitet von der Zersetzung der Verbindungen.

Doch obwohl diese Annahme im Grunde ganz real ist, blieb vieles unverständlich. Zum Beispiel:

• da die Prozesse ähnlich sind, sollten die Bedingungen für ihr Auftreten identisch sein, aber die Oxidation findet bei niedriger Körpertemperatur statt;
• die Aktion wird nicht von der Freisetzung einer großen Menge thermischer Energie begleitet und es gibt keine Flammenbildung;
• Lebewesen enth alten mindestens 75-80% Wasser, was jedoch das "Verbrennen" von Nährstoffen in ihnen nicht verhindert.

Es hat Jahre gedauert, all diese Fragen zu beantworten und zu verstehen, was biologische Oxidation wirklich ist.

Es gab verschiedene Theorien, die die Bedeutung der Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserstoff im Prozess implizierten. Die häufigsten und erfolgreichsten waren:

• Bachs Theorie, genanntPeroxid;
• Palladins Theorie, basierend auf dem Konzept der "Chromogene".

In der Zukunft gab es viel mehr Wissenschaftler, sowohl in Russland als auch in anderen Ländern der Welt, die nach und nach Ergänzungen und Änderungen an der Frage vornahmen, was biologische Oxidation ist. Die moderne Biochemie kann dank ihrer Arbeit über jede Reaktion dieses Prozesses berichten. Zu den bekanntesten Namen in diesem Bereich gehören die folgenden:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulachev;
• Krebs;
• Greene;
• B. A. Engelhardt;
• Kailin und andere.

Arten der biologischen Oxidation

Es gibt zwei Haupttypen des betrachteten Prozesses, die unter verschiedenen Bedingungen ablaufen. Daher ist die häufigste Art der Umwandlung der aufgenommenen Nahrung in viele Arten von Mikroorganismen und Pilzen anaerob. Dies ist eine biologische Oxidation, die ohne Zugang zu Sauerstoff und ohne dessen Beteiligung in irgendeiner Form durchgeführt wird. Ähnliche Bedingungen entstehen dort, wo kein Zugang zur Luft besteht: unter der Erde, in verrottenden Substraten, Schlicken, Tonen, Sümpfen und sogar im Weltraum.

Diese Art der Oxidation hat einen anderen Namen - Glykolyse. Es ist auch eine der Phasen eines komplexeren und mühsameren, aber energiereichen Prozesses - aerobe Transformation oder Gewebeatmung. Dies ist der zweite betrachtete Prozesstyp. Es kommt in allen aeroben Lebewesen vor - Heterotrophen, dieSauerstoff wird zum Atmen verwendet.

Die Arten der biologischen Oxidation sind also wie folgt.

1. Glykolyse, anaerober Weg. Erfordert keinen Sauerstoff und führt zu verschiedenen Formen der Fermentation.
2. Gewebeatmung (oxidative Phosphorylierung) oder aerobe Ansicht. Erfordert die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff.

Beteiligte am Verfahren

Lassen Sie uns zur Betrachtung der eigentlichen Eigenschaften übergehen, die die biologische Oxidation enthält. Lassen Sie uns die Hauptverbindungen und ihre Abkürzungen definieren, die wir in Zukunft verwenden werden.

1. Acetylcoenzym-A (Acetyl-CoA) ist ein Kondensat aus Oxal- und Essigsäure mit einem Coenzym, das in der ersten Stufe des Tricarbonsäurezyklus gebildet wird.
2. Der Krebs-Zyklus (Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäuren) ist eine Reihe komplexer aufeinanderfolgender Redox-Umwandlungen, die von der Freisetzung von Energie, Wasserstoffreduktion und der Bildung wichtiger Produkte mit niedrigem Molekulargewicht begleitet werden. Es ist das Hauptglied im Kata- und Anabolismus.
3. NAD und NADH - Dehydrogenase-Enzym, steht für Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid. Die zweite Formel ist ein Molekül mit einem angehängten Wasserstoff. NADP - Nicotinamidadenindinukleotidphosphat.
4. FAD und FADN − Flavin-Adenin-Dinukleotid - Coenzym der Dehydrogenasen.
5. ATP - Adenosintriphosphorsäure.
6. PVC - Brenztraubensäure oder Pyruvat.
7. Succinat oder Bernsteinsäure, H₃PO₄− Phosphorsäure.
8. GTP − Guanosintriphosphat, Klasse der Purinnukleotide.
9. ETC - Elektronentransportkette.
10. Enzyme des Prozesses: Peroxidasen, Oxygenasen, Cytochromoxidasen, Flavindehydrogenasen, verschiedene Coenzyme und andere Verbindungen.

Alle diese Verbindungen sind direkt am Oxidationsprozess beteiligt, der in den Geweben (Zellen) lebender Organismen stattfindet.

Biologische Oxidationsstufen: Tabelle

Stufe	Prozesse und Bedeutung
Glykolyse	Die Essenz des Prozesses liegt in der sauerstofffreien Sp altung von Monosacchariden, die dem Prozess der Zellatmung vorausgeht und mit einer Energieabgabe in Höhe von zwei ATP-Molekülen einhergeht. Es wird auch Pyruvat gebildet. Dies ist das Anfangsstadium für jeden lebenden Organismus eines Heterotrophen. Bedeutung bei der Bildung von PVC, das in die Cristae der Mitochondrien eindringt und ein Substrat für die Gewebeoxidation durch Sauerstoff ist. Bei Anaerobiern beginnen nach der Glykolyse Fermentationsprozesse verschiedener Art.
Pyruvat-Oxidation	Dieser Prozess besteht in der Umwandlung von PVC, das während der Glykolyse gebildet wird, in Acetyl-CoA. Sie wird unter Verwendung eines spezialisierten Enzymkomplexes, der Pyruvatdehydrogenase, durchgeführt. Das Ergebnis sind Cetyl-CoA-Moleküle, die in den Krebszyklus eintreten. Im gleichen Prozess wird NAD zu NADH reduziert. Ort der Lokalisierung - Cristae von Mitochondrien.
Der Abbau von Beta-Fettsäuren	Dieser Vorgang läuft parallel zum vorherigen abmitochondriale Cristae. Seine Essenz besteht darin, alle Fettsäuren zu Acetyl-CoA zu verarbeiten und in den Tricarbonsäurezyklus einzubringen. Dadurch wird auch NADH wiederhergestellt.
Krebs-Zyklus	Beginnt mit der Umwandlung von Acetyl-CoA in Zitronensäure, die weiteren Umwandlungen unterliegt. Eine der wichtigsten Phasen, die die biologische Oxidation umfasst. Diese Säure ist ausgesetzt: Dehydrierung; Decarboxylierung; regeneration. Jeder Vorgang wird mehrmals durchgeführt. Ergebnis: GTP, Kohlendioxid, reduzierte Form von NADH und FADH2. Gleichzeitig sind biologische Oxidationsenzyme frei in der Matrix der mitochondrialen Partikel lokalisiert.
Oxidative Phosphorylierung	Dies ist der letzte Schritt bei der Umwandlung von Verbindungen in eukaryotischen Organismen. Dabei wird Adenosindiphosphat in ATP umgewandelt. Die dafür benötigte Energie wird der Oxidation jener NADH- und FADH2-Moleküle entnommen, die in den vorangegangenen Stufen entstanden sind. Durch sukzessive Übergänge entlang der ETC und eine Abnahme der Potentiale wird Energie in makroerge Bindungen von ATP geschlossen.

Das sind alles Prozesse, die die biologische Oxidation unter Beteiligung von Sauerstoff begleiten. Natürlich werden sie nicht vollständig beschrieben, sondern nur im Wesentlichen, da für eine detaillierte Beschreibung ein ganzes Kapitel des Buches benötigt wird. Alle biochemischen Prozesse lebender Organismen sind äußerst vielfältig und komplex.

Redoxreaktionen des Prozesses

Redoxreaktionen, die beispielhaft die oben beschriebenen Prozesse der Substratoxidation veranschaulichen können, sind folgende.

1. Glykolyse: Monosaccharid (Glucose) + 2NAD^{+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H}+ ^{+ 2H} 2_{O + NADH.}
2. Pyruvat-Oxidation: PVC + Enzym=Kohlendioxid + Acetaldehyd. Dann der nächste Schritt: Acetaldehyd + Coenzym A=Acetyl-CoA.
3. Viele aufeinanderfolgende Umwandlungen von Zitronensäure im Krebszyklus.

Diese Redoxreaktionen, für die oben Beispiele angeführt wurden, spiegeln das Wesentliche der ablaufenden Prozesse nur in allgemeiner Form wieder. Es ist bekannt, dass die betreffenden Verbindungen entweder ein hohes Molekulargewicht haben oder ein großes Kohlenstoffgerüst haben, sodass es einfach nicht möglich ist, alles mit vollständigen Formeln darzustellen.

Energieabgabe der Gewebeatmung

Aus den obigen Beschreibungen ist es offensichtlich, dass es nicht schwierig ist, die Gesamtenergieausbeute der gesamten Oxidation zu berechnen.

1. Glykolyse erzeugt zwei ATP-Moleküle.
2. Pyruvatoxidation 12 ATP-Moleküle.
3. 22 Moleküle pro Zitronensäurezyklus.

Fazit: Die vollständige biologische Oxidation über den aeroben Weg ergibt eine Energieabgabe, die 36 ATP-Molekülen entspricht. Die Bedeutung der biologischen Oxidation ist offensichtlich. Es ist diese Energie, die von lebenden Organismen zum Leben und Funktionieren sowie zum Erwärmen ihres Körpers, für Bewegung und andere notwendige Dinge verwendet wird.

Anaerobe Oxidation des Substrats

Die zweite Art der biologischen Oxidation ist die anaerobe. Das heißt, eine, die von allen durchgeführt wird, auf der jedoch Mikroorganismen bestimmter Arten aufhören. Das ist die Glykolyse, und aus ihr lassen sich die Unterschiede in der weiteren Stoffumwandlung zwischen Aerobiern und Anaerobiern deutlich ableiten.

Auf diesem Weg gibt es wenige biologische Oxidationsschritte.

1. Glykolyse, also die Oxidation eines Glucosemoleküls zu Pyruvat.
2. Fermentation, die zur ATP-Regeneration führt.

Die Fermentation kann je nach den beteiligten Organismen unterschiedlich sein.

Milchsäuregärung

Wird von Milchsäurebakterien und einigen Pilzen durchgeführt. Das Endergebnis besteht darin, PVC wieder in Milchsäure umzuwandeln. Dieses Verfahren wird in der Industrie verwendet, um Folgendes zu erh alten:

• fermentierte Milchprodukte;
• fermentiertes Gemüse und Obst;
• Tiersilos.

Diese Art der Fermentation ist eine der am häufigsten verwendeten in der menschlichen Ernährung.

Alkoholgärung

Bekannt seit der Antike. Das Wesentliche des Prozesses ist die Umwandlung von PVC in zwei Moleküle Ethanol und zwei Kohlendioxid. Aufgrund dieser Produktausbeute wird diese Art der Fermentation verwendet, um zu erh alten:

• Brot;
• Wein;
• Bier;
• Süßwaren und mehr.

Es wird von Pilzen, Hefen und Mikroorganismen bakterieller Natur durchgeführt.

Buttersäuregärung

Eine eher eng begrenzte Art der Fermentation. Durchgeführt von Bakterien der Gattung Clostridium. Das Endergebnis ist die Umwandlung von Pyruvat in Buttersäure, die Lebensmitteln einen unangenehmen Geruch und ranzigen Geschmack verleiht.

Biologische Oxidationsreaktionen auf diesem Weg werden daher in der Industrie praktisch nicht eingesetzt. Diese Bakterien säen jedoch selbst Nahrung und richten Schaden an, indem sie ihre Qualität mindern.