Sin energía, no puede existir un solo ser vivo. Después de todo, cada reacción química, cada proceso requiere su presencia. Es fácil para cualquiera entender y sentir esto. Si no come alimentos en todo el día, entonces por la noche, y posiblemente incluso antes, comenzarán los síntomas de mayor fatiga, letargo, la fuerza disminuirá significativamente.
¿Cómo se han adaptado los diferentes organismos para obtener energía? ¿De dónde viene y qué procesos tienen lugar dentro de la célula? Tratemos de entender este artículo.
Obtener energía de los organismos
Sea cual sea la forma en que las criaturas consumen energía, las ORR (reacciones de oxidación-reducción) son siempre la base. Se pueden dar varios ejemplos. La ecuación de la fotosíntesis, que realizan las plantas verdes y algunas bacterias, también es OVR. Naturalmente, los procesos diferirán según el ser vivo al que se refiera.
Entonces, todos los animales son heterótrofos. Es decir, aquellos organismos que no son capaces de formar de forma independiente compuestos orgánicos preparados dentro de sí mismos parasu posterior división y liberación de la energía de los enlaces químicos.
Las plantas, por el contrario, son el productor de materia orgánica más poderoso de nuestro planeta. Son ellos quienes llevan a cabo un proceso complejo e importante llamado fotosíntesis, que consiste en la formación de glucosa a partir del agua, dióxido de carbono bajo la acción de una sustancia especial: la clorofila. El subproducto es el oxígeno, que es la fuente de vida para todos los seres vivos aeróbicos.
Reacciones redox, cuyos ejemplos ilustran este proceso:
6CO2 + 6H2O=clorofila=C6H 10O6 + 6O2;
o
dióxido de carbono + óxido de hidrógeno bajo la influencia del pigmento de clorofila (enzima de reacción)=monosacárido + oxígeno molecular libre
También hay tales representantes de la biomasa del planeta que pueden usar la energía de los enlaces químicos de los compuestos inorgánicos. Se llaman quimiotrofos. Estos incluyen muchos tipos de bacterias. Por ejemplo, microorganismos de hidrógeno que oxidan moléculas de sustrato en el suelo. El proceso se lleva a cabo de acuerdo con la fórmula:
Historia del desarrollo del conocimiento de la oxidación biológica
El proceso que subyace a la producción de energía es bien conocido hoy en día. Esta es la oxidación biológica. La bioquímica ha estudiado las sutilezas y los mecanismos de todas las etapas de acción con tal detalle que casi no quedan misterios. Sin embargo, esto no fuesiempre.
La primera mención de las transformaciones más complejas que ocurren en el interior de los seres vivos, que son reacciones químicas en la naturaleza, apareció alrededor del siglo XVIII. Fue en este momento que Antoine Lavoisier, el famoso químico francés, centró su atención en cuán similares son la oxidación y la combustión biológicas. Trazó el camino aproximado del oxígeno absorbido durante la respiración y llegó a la conclusión de que los procesos de oxidación ocurren dentro del cuerpo, solo que más lentamente que afuera durante la combustión de varias sustancias. Es decir, el agente oxidante, las moléculas de oxígeno, reaccionan con los compuestos orgánicos y, en concreto, con el hidrógeno y el carbono de ellos, y se produce una transformación completa, acompañada de la descomposición de los compuestos.
Sin embargo, aunque esta suposición es esencialmente bastante real, muchas cosas siguen siendo incomprensibles. Por ejemplo:
- dado que los procesos son similares, entonces las condiciones para su ocurrencia deberían ser idénticas, pero la oxidación ocurre a baja temperatura corporal;
- la acción no va acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía térmica y no hay formación de llamas;
- los seres vivos contienen al menos un 75-80% de agua, pero esto no evita que se "quemen" los nutrientes en ellos.
Tomó años responder a todas estas preguntas y comprender qué es realmente la oxidación biológica.
Había diferentes teorías que implicaban la importancia de la presencia de oxígeno e hidrógeno en el proceso. Los más comunes y exitosos fueron:
- Teoría de Bach, llamadaperóxido;
- Teoría de Palladin, basada en el concepto de "cromógenos".
En el futuro, hubo muchos más científicos, tanto en Rusia como en otros países del mundo, que gradualmente hicieron adiciones y cambios a la cuestión de qué es la oxidación biológica. La bioquímica moderna, gracias a su trabajo, puede informar sobre cada reacción de este proceso. Entre los nombres más famosos de esta zona se encuentran los siguientes:
- Mitchell;
- S. V. Severin;
- Warburgo;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skulachev;
- Krebs;
- Verde;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin y otros.
Tipos de oxidación biológica
Hay dos tipos principales del proceso bajo consideración, que ocurren bajo diferentes condiciones. Entonces, la forma más común de convertir los alimentos recibidos en muchas especies de microorganismos y hongos es anaeróbica. Esta es la oxidación biológica, que se lleva a cabo sin acceso al oxígeno y sin su participación en ninguna forma. Se crean condiciones similares donde no hay acceso al aire: bajo tierra, en sustratos podridos, limos, arcillas, pantanos e incluso en el espacio.
Este tipo de oxidación tiene otro nombre: glucólisis. También es una de las etapas de un proceso más complejo y laborioso, pero energéticamente rico: la transformación aeróbica o respiración tisular. Este es el segundo tipo de proceso bajo consideración. Ocurre en todos los seres vivos aeróbicos, heterótrofos, queel oxígeno se usa para respirar.
Así que los tipos de oxidación biológica son los siguientes.
- Glucólisis, vía anaeróbica. No requiere la presencia de oxígeno y da como resultado varias formas de fermentación.
- Respiración tisular (fosforilación oxidativa), o visión aeróbica. Requiere la presencia de oxígeno molecular.
Participantes en el proceso
Pasemos a la consideración de las características mismas que contiene la oxidación biológica. Definamos los compuestos principales y sus abreviaturas, que usaremos en el futuro.
- La acetilcoenzima-A (acetil-CoA) es un condensado de ácido oxálico y acético con una coenzima, formado en la primera etapa del ciclo del ácido tricarboxílico.
- El ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico, ácidos tricarboxílicos) es una serie de complejas transformaciones redox secuenciales acompañadas por la liberación de energía, la reducción de hidrógeno y la formación de importantes productos de bajo peso molecular. Es el eslabón principal del catabolismo y el anabolismo.
- NAD y NADH - enzima deshidrogenasa, significa nicotinamida adenina dinucleótido. La segunda fórmula es una molécula con un hidrógeno adjunto. NADP - nicotinamida adenina dinucleótido fosfato.
- FAD y FADN − dinucleótido de flavina y adenina - coenzima de deshidrogenasas.
- ATP - ácido trifosfórico de adenosina.
- PVC - ácido pirúvico o piruvato.
- Succinato o ácido succínico, H3PO4− ácido fosfórico.
- GTP − trifosfato de guanosina, clase de nucleótidos de purina.
- ETC - cadena de transporte de electrones.
- Enzimas del proceso: peroxidasas, oxigenasas, citocromo oxidasas, flavinas deshidrogenasas, diversas coenzimas y otros compuestos.
Todos estos compuestos son participantes directos en el proceso de oxidación que ocurre en los tejidos (células) de los organismos vivos.
Etapas de oxidación biológica: tabla
| Escenario | Procesos y significado |
| Glucólisis | La esencia del proceso radica en la división sin oxígeno de los monosacáridos, que precede al proceso de respiración celular y se acompaña de una producción de energía equivalente a dos moléculas de ATP. También se forma piruvato. Esta es la etapa inicial para cualquier organismo vivo de un heterótrofo. Importancia en la formación de PVC, que entra en las crestas de las mitocondrias y es un sustrato para la oxidación tisular por oxígeno. En los anaerobios, después de la glucólisis, comienzan procesos de fermentación de varios tipos. |
| Oxidación de piruvato | Este proceso consiste en la conversión del PVC formado durante la glucólisis en acetil-CoA. Se lleva a cabo utilizando un complejo enzimático especializado piruvato deshidrogenasa. El resultado son moléculas de cetil-CoA que entran en el ciclo de Krebs. En el mismo proceso, NAD se reduce a NADH. Lugar de localización: crestas de mitocondrias. |
| La descomposición de los ácidos grasos beta | Este proceso se realiza en paralelo al anterior encrestas mitocondriales. Su esencia es procesar todos los ácidos grasos en acetil-CoA y ponerlo en el ciclo del ácido tricarboxílico. Esto también restaura NADH. |
| Ciclo de Krebs |
Comienza con la conversión de acetil-CoA en ácido cítrico, que sufre más transformaciones. Una de las etapas más importantes que incluye la oxidación biológica. Este ácido está expuesto a:
Cada proceso se realiza varias veces. Resultado: GTP, dióxido de carbono, forma reducida de NADH y FADH2. Al mismo tiempo, las enzimas de oxidación biológica se localizan libremente en la matriz de las partículas mitocondriales. |
| Fosforilación oxidativa | Este es el último paso en la conversión de compuestos en organismos eucariotas. En este caso, el difosfato de adenosina se convierte en ATP. La energía necesaria para ello se obtiene de la oxidación de aquellas moléculas de NADH y FADH2 que se formaron en las etapas anteriores. A través de transiciones sucesivas a lo largo del ETC y una disminución de los potenciales, la energía se concluye en enlaces macroérgicos de ATP. |
Todos estos son procesos que acompañan a la oxidación biológica con la participación del oxígeno. Naturalmente, no se describen completamente, sino solo en esencia, ya que se necesita todo un capítulo del libro para una descripción detallada. Todos los procesos bioquímicos de los organismos vivos son extremadamente multifacéticos y complejos.
Reacciones redox del proceso
Las reacciones redox, cuyos ejemplos pueden ilustrar los procesos de oxidación de sustratos descritos anteriormente, son las siguientes.
- Glucólisis: monosacárido (glucosa) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Oxidación de piruvato: PVC + enzima=dióxido de carbono + acetaldehído. Luego el siguiente paso: acetaldehído + Coenzima A=acetil-CoA.
- Muchas transformaciones sucesivas del ácido cítrico en el ciclo de Krebs.
Estas reacciones redox, cuyos ejemplos se dan arriba, reflejan la esencia de los procesos en curso solo en términos generales. Se sabe que los compuestos en cuestión son de alto peso molecular o tienen un gran esqueleto de carbono, por lo que simplemente no es posible representar todo con fórmulas completas.
Salida de energía de la respiración tisular
De las descripciones anteriores, es obvio que no es difícil calcular el rendimiento energético total de toda la oxidación.
- La glucólisis produce dos moléculas de ATP.
- Oxidación de piruvato 12 moléculas de ATP.
- 22 moléculas por ciclo de ácido cítrico.
En pocas palabras: la oxidación biológica completa a través de la ruta aeróbica da una producción de energía igual a 36 moléculas de ATP. La importancia de la oxidación biológica es obvia. Es esta energía la que utilizan los organismos vivos para vivir y funcionar, así como para calentar sus cuerpos, moverse y otras cosas necesarias.
Oxidación anaeróbica del sustrato
El segundo tipo de oxidación biológica es la anaeróbica. Es decir, uno que es realizado por todos, pero sobre el que se detienen microorganismos de determinadas especies. Esto es la glucólisis, y es a partir de ella que se trazan claramente las diferencias en la transformación posterior de sustancias entre aerobios y anaerobios.
Hay pocos pasos de oxidación biológica a lo largo de esta vía.
- Glucólisis, es decir, la oxidación de una molécula de glucosa a piruvato.
- Fermentación que conduce a la regeneración de ATP.
La fermentación puede ser de diferentes tipos, dependiendo de los organismos involucrados.
Fermentación de ácido láctico
Realizado por bacterias del ácido láctico y algunos hongos. El resultado final es restaurar el PVC a ácido láctico. Este proceso se utiliza en la industria para obtener:
- productos lácteos fermentados;
- verduras y frutas fermentadas;
- silos de animales.
Este tipo de fermentación es una de las más utilizadas en las necesidades humanas.
Fermentación alcohólica
Conocido por la gente desde la antigüedad. La esencia del proceso es la conversión de PVC en dos moléculas de etanol y dos de dióxido de carbono. Debido a este rendimiento de producto, este tipo de fermentación se utiliza para obtener:
- pan;
- vino;
- cerveza;
- repostería y más.
Se lleva a cabo por hongos, levaduras y microorganismos de naturaleza bacteriana.
Fermentación butírica
Un tipo de fermentación bastante específico. Realizada por bacterias del género Clostridium. El resultado final es la conversión del piruvato en ácido butírico, que da a los alimentos un olor desagradable y un sabor rancio.
Por lo tanto, las reacciones de oxidación biológica que siguen este camino prácticamente no se utilizan en la industria. Sin embargo, estas bacterias siembran alimentos por sí mismas y causan daño, reduciendo su calidad.
