Tanpa energi, tidak ada satu pun makhluk hidup yang bisa eksis. Bagaimanapun, setiap reaksi kimia, setiap proses membutuhkan kehadirannya. Mudah bagi siapa saja untuk memahami dan merasakan hal ini. Jika Anda tidak makan sepanjang hari, maka pada malam hari, dan bahkan mungkin lebih awal, gejala peningkatan kelelahan, kelesuan akan dimulai, kekuatan akan berkurang secara signifikan.
Bagaimana organisme yang berbeda beradaptasi untuk mendapatkan energi? Dari mana asalnya dan proses apa yang terjadi di dalam sel? Mari kita coba memahami artikel ini.
Mendapatkan energi oleh organisme
Bagaimanapun cara makhluk mengkonsumsi energi, ORR (reaksi reduksi oksidasi) selalu menjadi dasar. Berbagai contoh dapat diberikan. Persamaan fotosintesis, yang dilakukan oleh tumbuhan hijau dan beberapa bakteri, juga OVR. Secara alami, prosesnya akan berbeda tergantung pada makhluk hidup mana yang dimaksud.
Jadi, semua hewan adalah heterotrof. Artinya, organisme semacam itu yang tidak mampu secara mandiri membentuk senyawa organik siap pakai di dalam dirinya sendiri untukpemisahan lebih lanjut dan pelepasan energi ikatan kimia.
Tanaman, sebaliknya, adalah penghasil bahan organik paling kuat di planet kita. Merekalah yang melakukan proses kompleks dan penting yang disebut fotosintesis, yang terdiri dari pembentukan glukosa dari air, karbon dioksida di bawah aksi zat khusus - klorofil. Hasil sampingnya adalah oksigen, yang merupakan sumber kehidupan bagi semua makhluk hidup aerobik.
Reaksi redoks, contohnya menggambarkan proses ini:
6CO2 + 6H2O=klorofil=C6H 10O6 + 6O2;
atau
karbon dioksida + hidrogen oksida di bawah pengaruh pigmen klorofil (enzim reaksi)=monosakarida + oksigen molekuler bebas
Ada juga perwakilan biomassa planet yang dapat menggunakan energi ikatan kimia senyawa anorganik. Mereka disebut kemotrof. Ini termasuk banyak jenis bakteri. Misalnya mikroorganisme hidrogen yang mengoksidasi molekul substrat di dalam tanah. Proses berlangsung sesuai dengan rumus:
Sejarah perkembangan pengetahuan oksidasi biologis
Proses yang mendasari produksi energi sudah sangat dikenal saat ini. Ini adalah oksidasi biologis. Biokimia telah mempelajari seluk-beluk dan mekanisme semua tahapan tindakan dengan sangat rinci sehingga hampir tidak ada misteri yang tersisa. Namun, ini bukanselalu.
Penyebutan pertama tentang transformasi paling kompleks yang terjadi di dalam makhluk hidup, yang merupakan reaksi kimia di alam, muncul sekitar abad ke-18. Pada saat inilah Antoine Lavoisier, ahli kimia Prancis yang terkenal, mengalihkan perhatiannya pada betapa miripnya oksidasi dan pembakaran biologis. Dia menelusuri perkiraan jalur oksigen yang diserap selama pernapasan dan sampai pada kesimpulan bahwa proses oksidasi terjadi di dalam tubuh, hanya lebih lambat daripada di luar selama pembakaran berbagai zat. Artinya, zat pengoksidasi - molekul oksigen - bereaksi dengan senyawa organik, dan khususnya, dengan hidrogen dan karbon dari mereka, dan transformasi lengkap terjadi, disertai dengan dekomposisi senyawa.
Namun, meskipun asumsi ini pada dasarnya cukup nyata, banyak hal yang tetap tidak dapat dipahami. Misalnya:
- karena prosesnya serupa, maka kondisi terjadinya harus sama, tetapi oksidasi terjadi pada suhu tubuh rendah;
- aksi tidak disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi panas dan tidak ada pembentukan api;
- makhluk hidup mengandung setidaknya 75-80% air, tetapi ini tidak mencegah "pembakaran" nutrisi di dalamnya.
Butuh waktu bertahun-tahun untuk menjawab semua pertanyaan ini dan memahami apa sebenarnya oksidasi biologis.
Ada teori berbeda yang menyiratkan pentingnya keberadaan oksigen dan hidrogen dalam prosesnya. Yang paling umum dan paling sukses adalah:
- Teori Bach, disebutperoksida;
- Teori Palladin, berdasarkan konsep "chromogens".
Di masa depan, ada lebih banyak ilmuwan, baik di Rusia maupun negara-negara lain di dunia, yang secara bertahap membuat penambahan dan perubahan pada pertanyaan tentang apa itu oksidasi biologis. Biokimia modern, berkat pekerjaan mereka, dapat mengetahui setiap reaksi dari proses ini. Di antara nama-nama yang paling terkenal di daerah ini adalah sebagai berikut:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Hijau;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin dan lainnya.
Jenis oksidasi biologis
Ada dua jenis utama dari proses yang sedang dipertimbangkan, yang terjadi dalam kondisi yang berbeda. Jadi, cara paling umum untuk mengubah makanan yang diterima di banyak spesies mikroorganisme dan jamur adalah anaerobik. Ini adalah oksidasi biologis, yang dilakukan tanpa akses ke oksigen dan tanpa partisipasinya dalam bentuk apa pun. Kondisi serupa terjadi di mana tidak ada akses ke udara: di bawah tanah, di substrat yang membusuk, lanau, tanah liat, rawa, dan bahkan di luar angkasa.
Jenis oksidasi ini memiliki nama lain - glikolisis. Ini juga merupakan salah satu tahap dari proses yang lebih kompleks dan melelahkan, tetapi kaya energi - transformasi aerobik atau respirasi jaringan. Ini adalah jenis proses kedua yang sedang dipertimbangkan. Ini terjadi pada semua makhluk hidup aerobik-heterotrof, yangoksigen digunakan untuk bernafas.
Jadi jenis-jenis oksidasi biologis adalah sebagai berikut.
- Glikolisis, jalur anaerobik. Tidak memerlukan keberadaan oksigen dan menghasilkan berbagai bentuk fermentasi.
- Respirasi jaringan (fosforilasi oksidatif), atau tampilan aerobik. Membutuhkan kehadiran molekul oksigen.
Peserta dalam proses
Mari kita beralih ke pertimbangan fitur-fitur yang dikandung oleh oksidasi biologis. Mari kita tentukan senyawa utama dan singkatannya, yang akan kita gunakan di masa mendatang.
- Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) adalah kondensat asam oksalat dan asam asetat dengan koenzim, terbentuk pada tahap pertama dari siklus asam trikarboksilat.
- Siklus Krebs (siklus asam sitrat, asam trikarboksilat) adalah serangkaian transformasi redoks berurutan yang kompleks disertai dengan pelepasan energi, reduksi hidrogen, dan pembentukan produk penting dengan berat molekul rendah. Ini adalah mata rantai utama dalam kata- dan anabolisme.
- NAD dan NADH - enzim dehidrogenase, singkatan dari nicotinamide adenine dinucleotide. Rumus kedua adalah molekul dengan hidrogen yang terikat. NADP - nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.
- FAD dan FADN flavin adenine dinucleotide - koenzim dehidrogenase.
- ATP - asam adenosin trifosfat.
- PVC - asam piruvat atau piruvat.
- Suksinat atau asam suksinat, H3PO4− asam fosfat.
- GTP guanosin trifosfat, kelas nukleotida purin.
- ETC - rantai transpor elektron.
- Enzim proses: peroksidase, oksigenase, sitokrom oksidase, flavin dehidrogenase, berbagai koenzim dan senyawa lainnya.
Semua senyawa ini merupakan peserta langsung dalam proses oksidasi yang terjadi di jaringan (sel) organisme hidup.
Tahap oksidasi biologis: tabel
| Panggung | Proses dan Arti |
| Glikolisis | Inti dari proses ini terletak pada pemecahan monosakarida bebas oksigen, yang mendahului proses respirasi seluler dan disertai dengan keluaran energi yang setara dengan dua molekul ATP. Piruvat juga terbentuk. Ini adalah tahap awal untuk setiap organisme hidup heterotrof. Signifikansi dalam pembentukan PVC, yang memasuki krista mitokondria dan merupakan substrat untuk oksidasi jaringan oleh oksigen. Dalam anaerob, setelah glikolisis, proses fermentasi dari berbagai jenis dimulai. |
| oksidasi piruvat | Proses ini terdiri dari konversi PVC yang terbentuk selama glikolisis menjadi asetil-KoA. Ini dilakukan dengan menggunakan enzim kompleks piruvat dehidrogenase khusus. Hasilnya adalah molekul setil-KoA yang memasuki siklus Krebs. Dalam proses yang sama, NAD direduksi menjadi NADH. Tempat lokalisasi - krista mitokondria. |
| Pemecahan asam lemak beta | Proses ini dilakukan secara paralel dengan yang sebelumnya padakrista mitokondria. Esensinya adalah mengolah semua asam lemak menjadi asetil-KoA dan memasukkannya ke dalam siklus asam trikarboksilat. Ini juga mengembalikan NADH. |
| siklus Krebs |
Dimulai dengan konversi asetil-KoA menjadi asam sitrat, yang mengalami transformasi lebih lanjut. Salah satu tahap terpenting yang mencakup oksidasi biologis. Asam ini terkena:
Setiap proses dilakukan beberapa kali. Hasil: GTP, karbon dioksida, bentuk tereduksi NADH dan FADH2. Pada saat yang sama, enzim oksidasi biologis secara bebas terletak di matriks partikel mitokondria. |
| fosforilasi oksidatif | Ini adalah langkah terakhir dalam konversi senyawa pada organisme eukariotik. Dalam hal ini, adenosin difosfat diubah menjadi ATP. Energi yang dibutuhkan untuk ini diambil dari oksidasi molekul NADH dan FADH2 yang terbentuk pada tahap sebelumnya. Melalui transisi berturut-turut di sepanjang ETC dan penurunan potensial, energi disimpulkan dalam ikatan makroergik ATP. |
Ini semua adalah proses yang menyertai oksidasi biologis dengan partisipasi oksigen. Secara alami, mereka tidak sepenuhnya dijelaskan, tetapi hanya pada intinya, karena seluruh bab dari buku ini diperlukan untuk deskripsi yang terperinci. Semua proses biokimia organisme hidup sangat beragam dan kompleks.
Reaksi redoks dari proses
Reaksi redoks, contohnya dapat menggambarkan proses oksidasi substrat yang dijelaskan di atas, adalah sebagai berikut.
- Glikolisis: monosakarida (glukosa) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Oksidasi piruvat: PVC + enzim=karbon dioksida + asetaldehida. Kemudian langkah selanjutnya: asetaldehida + Koenzim A=asetil-KoA.
- Banyak transformasi asam sitrat berturut-turut dalam siklus Krebs.
Reaksi redoks ini, contoh yang diberikan di atas, mencerminkan esensi dari proses yang sedang berlangsung hanya secara umum. Diketahui bahwa senyawa yang dimaksud memiliki berat molekul tinggi atau memiliki kerangka karbon yang besar, sehingga tidak mungkin untuk merepresentasikan semuanya dengan rumus lengkap.
Keluaran energi respirasi jaringan
Dari uraian di atas, jelas bahwa tidak sulit untuk menghitung energi total yang dihasilkan dari seluruh oksidasi.
- Glikolisis menghasilkan dua molekul ATP.
- Oksidasi piruvat 12 molekul ATP.
- 22 molekul per siklus asam sitrat.
Intinya: oksidasi biologis lengkap melalui jalur aerobik memberikan keluaran energi yang setara dengan 36 molekul ATP. Pentingnya oksidasi biologis sudah jelas. Energi inilah yang digunakan oleh organisme hidup untuk hidup dan berfungsi, serta untuk menghangatkan tubuh, gerakan, dan hal-hal lain yang diperlukan.
Oksidasi substrat secara anaerob
Jenis oksidasi biologis kedua adalah anaerobik. Artinya, yang dilakukan oleh semua orang, tetapi mikroorganisme dari spesies tertentu berhenti. Ini adalah glikolisis, dan dari sanalah perbedaan transformasi lebih lanjut zat antara aerob dan anaerob dapat ditelusuri dengan jelas.
Ada beberapa langkah oksidasi biologis di sepanjang jalur ini.
- Glikolisis, yaitu oksidasi molekul glukosa menjadi piruvat.
- Fermentasi yang mengarah ke regenerasi ATP.
Fermentasi bisa dari berbagai jenis, tergantung pada organisme yang terlibat.
Fermentasi asam laktat
Dilakukan oleh bakteri asam laktat dan beberapa jamur. Intinya adalah mengembalikan PVC menjadi asam laktat. Proses ini digunakan dalam industri untuk mendapatkan:
- produk susu fermentasi;
- sayuran dan buah-buahan yang difermentasi;
- silo hewan.
Fermentasi jenis ini merupakan salah satu yang paling banyak digunakan untuk kebutuhan manusia.
Fermentasi alkohol
Dikenal orang sejak jaman dahulu. Inti dari proses ini adalah konversi PVC menjadi dua molekul etanol dan dua karbon dioksida. Karena hasil produk ini, jenis fermentasi ini digunakan untuk mendapatkan:
- roti;
- anggur;
- bir;
- permen dan banyak lagi.
Ini dilakukan oleh jamur, ragi dan mikroorganisme yang bersifat bakteri.
fermentasi butirat
Jenis fermentasi yang agak spesifik. Dilakukan oleh bakteri dari genus Clostridium. Intinya adalah konversi piruvat menjadi asam butirat, yang memberi makanan bau tidak sedap dan rasa tengik.
Oleh karena itu, reaksi oksidasi biologis yang mengikuti jalur ini praktis tidak digunakan dalam industri. Namun, bakteri ini menaburkan makanannya sendiri dan menyebabkan kerusakan, menurunkan kualitasnya.
