ออกซิเดชันทางชีวภาพ. ปฏิกิริยารีดอกซ์: ตัวอย่าง

2025 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 12:35

ไม่มีแรงก็ไม่มีสิ่งมีชีวิตเดียวอยู่ได้ ท้ายที่สุดแล้ว ทุกปฏิกิริยาเคมี ทุกกระบวนการจำเป็นต้องมีการมีอยู่ของมัน เป็นเรื่องง่ายสำหรับทุกคนที่จะเข้าใจและรู้สึกนี้ ถ้าคุณไม่กินอาหารตลอดทั้งวัน ในตอนเย็นและอาจจะเร็วกว่านั้น อาการของความเหนื่อยล้าที่เพิ่มขึ้น ความง่วงจะเริ่มขึ้น ความแรงจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด

สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ปรับตัวเพื่อรับพลังงานอย่างไร? มันมาจากไหนและกระบวนการใดเกิดขึ้นภายในเซลล์? มาทำความเข้าใจบทความนี้กัน

รับพลังงานจากสิ่งมีชีวิต

ไม่ว่าสิ่งมีชีวิตจะใช้พลังงานอย่างไร ORR (ปฏิกิริยาลดการเกิดออกซิเดชัน) ก็เป็นพื้นฐานเสมอ สามารถยกตัวอย่างต่างๆ สมการของการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งดำเนินการโดยพืชสีเขียวและแบคทีเรียบางชนิดก็เป็น OVR เช่นกัน โดยปกติกระบวนการจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความหมายของสิ่งมีชีวิต

ดังนั้น สัตว์ทุกตัวเป็นเฮเทอโรโทรฟ กล่าวคือ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวไม่สามารถสร้างสารประกอบอินทรีย์สำเร็จรูปในตัวเองได้โดยอิสระสำหรับการแยกตัวและการปลดปล่อยพลังงานของพันธะเคมีเพิ่มเติม

ในทางกลับกัน พืชเป็นผู้ผลิตอินทรียวัตถุที่ทรงพลังที่สุดในโลก พวกเขาเป็นผู้ดำเนินการกระบวนการที่ซับซ้อนและสำคัญที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งประกอบด้วยการก่อตัวของกลูโคสจากน้ำคาร์บอนไดออกไซด์ภายใต้การกระทำของสารพิเศษ - คลอโรฟิลล์ ผลพลอยได้คือออกซิเจนซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของสิ่งมีชีวิตที่แอโรบิกทั้งหมด

ปฏิกิริยารีดอกซ์ ตัวอย่างที่แสดงกระบวนการนี้:

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

หรือ

คาร์บอนไดออกไซด์ + ไฮโดรเจนออกไซด์ภายใต้อิทธิพลของสีคลอโรฟิลล์ (เอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยา)=โมโนแซ็กคาไรด์ + โมเลกุลออกซิเจนอิสระ

นอกจากนี้ยังมีตัวแทนของสิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่ของโลกที่สามารถใช้พลังงานของพันธะเคมีของสารประกอบอนินทรีย์ พวกเขาเรียกว่าเคมีบำบัด ซึ่งรวมถึงแบคทีเรียหลายชนิด ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์ไฮโดรเจนที่ออกซิไดซ์โมเลกุลของสารตั้งต้นในดิน กระบวนการเกิดขึ้นตามสูตร:

ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาความรู้เกี่ยวกับการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ

กระบวนการที่รองรับการผลิตพลังงานเป็นที่รู้จักกันดีในปัจจุบัน นี่คือการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ ชีวเคมีได้ศึกษารายละเอียดปลีกย่อยและกลไกของการกระทำทุกขั้นตอนอย่างละเอียดจนแทบไม่มีความลึกลับเหลืออยู่ อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่เสมอ

การกล่าวถึงครั้งแรกของการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนที่สุดที่เกิดขึ้นภายในสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเคมีในธรรมชาติ ปรากฏขึ้นราวศตวรรษที่ 18 ในเวลานี้เองที่ Antoine Lavoisier นักเคมีชาวฝรั่งเศสที่มีชื่อเสียง หันความสนใจไปที่ปฏิกิริยาออกซิเดชันและการเผาไหม้ทางชีวภาพที่คล้ายคลึงกัน เขาติดตามเส้นทางโดยประมาณของออกซิเจนที่ดูดซับระหว่างการหายใจ และสรุปได้ว่ากระบวนการออกซิเดชันเกิดขึ้นภายในร่างกาย ซึ่งช้ากว่าภายนอกเท่านั้นในระหว่างการเผาไหม้ของสารต่างๆ นั่นคือตัวออกซิไดซ์ - โมเลกุลของออกซิเจน - ทำปฏิกิริยากับสารประกอบอินทรีย์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับไฮโดรเจนและคาร์บอนจากพวกมันและเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์พร้อมกับการสลายตัวของสารประกอบ

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าสมมติฐานนี้จะค่อนข้างจริง แต่หลายสิ่งหลายอย่างก็ยังเข้าใจยาก ตัวอย่างเช่น:

เนื่องจากกระบวนการคล้ายคลึงกัน เงื่อนไขในการเกิดขึ้นจึงควรเหมือนกัน แต่การเกิดออกซิเดชันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิร่างกายต่ำ
การกระทำไม่ได้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมากและไม่มีการก่อตัวของเปลวไฟ
สิ่งมีชีวิตมีน้ำอย่างน้อย 75-80% แต่สิ่งนี้ไม่ได้ป้องกัน "การเผาไหม้" ของสารอาหารในพวกมัน

ต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะตอบคำถามเหล่านี้และทำความเข้าใจว่าแท้จริงแล้วการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพคืออะไร

มีทฤษฎีต่างๆ ที่บอกเป็นนัยถึงความสำคัญของออกซิเจนและไฮโดรเจนในกระบวนการนี้ ที่พบมากที่สุดและประสบความสำเร็จมากที่สุดคือ:

ทฤษฎีของบัคเรียกว่าเปอร์ออกไซด์
ทฤษฎีของปัลลาดินตามแนวคิดของ "โครโมเจน"

ในอนาคต มีนักวิทยาศาสตร์อีกมากมายทั้งในรัสเซียและประเทศอื่นๆ ในโลกที่ค่อยๆ เพิ่มเติมและเปลี่ยนแปลงคำถามว่าปฏิกิริยาออกซิเดชันทางชีวภาพคืออะไร ชีวเคมีสมัยใหม่ต้องขอบคุณงานของพวกเขาที่สามารถบอกเกี่ยวกับปฏิกิริยาทุกอย่างของกระบวนการนี้ได้ ในบรรดาชื่อที่มีชื่อเสียงที่สุดในบริเวณนี้มีดังต่อไปนี้:

มิตเชลล์
ส. วี. เซเวริน;
วอร์เบิร์ก;
B. ก. เบลิทเซอร์
เลนินเงอร์
B. ป. สคูลาเชฟ;
เครปส์;
กรีน;
B. เอ. เอนเกลฮาร์ด;
ไคลินและอื่นๆ

ประเภทของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ

กระบวนการที่อยู่ระหว่างการพิจารณามีสองประเภทหลัก ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน ดังนั้น วิธีทั่วไปในการเปลี่ยนอาหารที่ได้รับจากจุลินทรีย์และเชื้อราหลายชนิดคือไม่ใช้ออกซิเจน นี่คือการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพซึ่งดำเนินการโดยไม่ต้องเข้าถึงออกซิเจนและไม่มีการมีส่วนร่วมในรูปแบบใด ๆ สภาวะที่คล้ายคลึงกันถูกสร้างขึ้นในที่ที่ไม่มีอากาศเข้าไป: ใต้ดิน ในพื้นผิวที่เน่าเปื่อย ตะกอน ดินเหนียว หนองน้ำ หรือแม้แต่ในอวกาศ

การเกิดออกซิเดชันประเภทนี้มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า glycolysis. นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในขั้นตอนของกระบวนการที่ซับซ้อนและลำบาก แต่เต็มไปด้วยพลัง - การเปลี่ยนแปลงแบบแอโรบิกหรือการหายใจของเนื้อเยื่อ นี่เป็นกระบวนการประเภทที่สองที่อยู่ระหว่างการพิจารณา มันเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตแอโรบิกทั้งหมด - heterotrophs ซึ่งใช้ออกซิเจนในการหายใจ

ดังนั้นประเภทของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพมีดังนี้

ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน ไม่ต้องการออกซิเจนและส่งผลให้เกิดการหมักในรูปแบบต่างๆ
การหายใจของเนื้อเยื่อ (ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น) หรือมุมมองแอโรบิก ต้องมีอ็อกซิเจนในระดับโมเลกุล

ผู้เข้าร่วมในกระบวนการ

มาพิจารณาถึงคุณสมบัติที่ประกอบด้วยการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพกัน มากำหนดสารประกอบหลักและตัวย่อกันที่เราจะใช้ในอนาคตกัน

Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) คือคอนเดนเสทของกรดออกซาลิกและกรดอะซิติกที่มีโคเอ็นไซม์ ซึ่งก่อตัวขึ้นในขั้นตอนแรกของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก
วงจร Krebs (วัฏจักรกรดซิตริก กรดไตรคาร์บอกซิลิก) คือชุดของการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ตามลำดับที่ซับซ้อน ควบคู่ไปกับการปล่อยพลังงาน การลดไฮโดรเจน และการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่สำคัญ เป็นลิงค์หลักใน cata- และ anabolism
NAD และ NADH - เอนไซม์ดีไฮโดรจีเนส ย่อมาจาก nicotinamide adenine dinucleotide สูตรที่สองคือโมเลกุลที่มีไฮโดรเจนติดอยู่ NADP - นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต
FAD และ FADN − ฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ - โคเอ็นไซม์ของดีไฮโดรจีเนส
ATP - กรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริก
PVC - กรดไพรูวิกหรือไพรูเวต
ซัคซิเนตหรือกรดซัคซินิก, H₃PO₄− กรดฟอสฟอริก
GTP − กัวโนซีน ไตรฟอสเฟต คลาสของนิวคลีโอไทด์พิวรีน
ETC - ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
เอ็นไซม์ของกระบวนการ: เปอร์ออกซิเดส, อ็อกซิเจนเนส, ไซโตโครมออกซิเดส, ฟลาวิน ดีไฮโดรจีเนส, โคเอ็นไซม์ต่างๆ และสารประกอบอื่นๆ

สารประกอบทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนร่วมโดยตรงในกระบวนการออกซิเดชันที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ (เซลล์) ของสิ่งมีชีวิต

ระยะออกซิเดชันทางชีวภาพ: ตาราง

เวที	กระบวนการและความหมาย
ไกลโคไลซิส	สาระสำคัญของกระบวนการอยู่ที่การแยกตัวของโมโนแซ็กคาไรด์ที่ปราศจากออกซิเจน ซึ่งนำหน้ากระบวนการหายใจของเซลล์และมาพร้อมกับพลังงานที่ส่งออกเท่ากับโมเลกุล ATP สองโมเลกุล ไพรูเวทก็ก่อตัวขึ้นเช่นกัน นี่เป็นระยะเริ่มต้นสำหรับสิ่งมีชีวิตใด ๆ ของเฮเทอโรโทรฟ ความสำคัญในการก่อตัวของ PVC ซึ่งเข้าสู่ cristae ของ mitochondria และเป็นสารตั้งต้นสำหรับการเกิดออกซิเดชันของเนื้อเยื่อด้วยออกซิเจน ในสภาวะไร้อากาศ หลังจากไกลโคไลซิส กระบวนการหมักประเภทต่างๆ เริ่มต้นขึ้น
ไพรูเวทออกซิเดชัน	กระบวนการนี้ประกอบด้วยการแปลงพีวีซีที่เกิดขึ้นระหว่างไกลโคไลซิสเป็นอะเซทิล-โคเอ ดำเนินการโดยใช้เอนไซม์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสเชิงซ้อนของเอนไซม์เฉพาะ ผลที่ได้คือโมเลกุลเซทิล-CoA ที่เข้าสู่วัฏจักรเครบส์ ในกระบวนการเดียวกัน NAD จะลดลงเป็น NADH สถานที่แปล - คริสเตของไมโตคอนเดรีย
การสลายของกรดไขมันเบตา	ขั้นตอนนี้ดำเนินการควบคู่ไปกับขั้นตอนก่อนหน้าในคริสเตยล สาระสำคัญของมันคือการประมวลผลกรดไขมันทั้งหมดเป็น acetyl-CoA และใส่ไว้ในวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก นอกจากนี้ยังคืนค่า NADH
รอบเครป	เริ่มต้นด้วยการแปลง acetyl-CoA เป็นกรดซิตริก ซึ่งผ่านการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดขั้นตอนหนึ่งซึ่งรวมถึงการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ กรดนี้สัมผัสกับ: ดีไฮโดรจีเนชัน; ดีคาร์บอกซิเลชั่น; ฟื้นฟู แต่ละขั้นตอนทำหลายครั้ง ผลลัพธ์: GTP คาร์บอนไดออกไซด์ รูปรีดิวซ์ของ NADH และ FADH₂ ในขณะเดียวกัน เอ็นไซม์ออกซิเดชันทางชีวภาพก็อยู่ในเมทริกซ์ของอนุภาคไมโตคอนเดรียอย่างอิสระ
ฟอสโฟรีเลชั่นออกซิเดชัน	นี่คือขั้นตอนสุดท้ายในการแปลงสารประกอบในสิ่งมีชีวิตที่เป็นยูคาริโอต ในกรณีนี้ อะดีโนซีนไดฟอสเฟตจะถูกแปลงเป็นเอทีพี พลังงานที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้นำมาจากการเกิดออกซิเดชันของโมเลกุล NADH และ FADH₂ ที่ก่อตัวขึ้นในระยะก่อนหน้า ด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตาม ETC และศักยภาพที่ลดลง พลังงานจึงถูกสรุปไว้ในพันธะมหภาคของ ATP

นี่คือกระบวนการทั้งหมดที่มาพร้อมกับการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพด้วยการมีส่วนร่วมของออกซิเจน โดยธรรมชาติแล้ว สิ่งเหล่านี้ไม่ได้อธิบายอย่างครบถ้วน แต่มีเฉพาะในสาระสำคัญเท่านั้น เนื่องจากจำเป็นต้องมีทั้งบทของหนังสือเล่มนี้เพื่ออธิบายรายละเอียด กระบวนการทางชีวเคมีทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตมีหลายแง่มุมและซับซ้อนมาก

ออกซิเดชันทางชีวภาพที่การมีส่วนร่วมของออกซิเจน

ปฏิกิริยารีดอกซ์ของกระบวนการ

ปฏิกิริยารีดอกซ์ ตัวอย่างที่สามารถอธิบายกระบวนการออกซิเดชันของซับสเตรตที่อธิบายข้างต้นได้ดังนี้

ไกลโคไลซิส: โมโนแซ็กคาไรด์ (กลูโคส) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
ไพรูเวตออกซิเดชัน: พีวีซี + เอ็นไซม์=คาร์บอนไดออกไซด์ + อะซีตัลดีไฮด์ จากนั้นขั้นตอนต่อไป: acetaldehyde + Coenzyme A=acetyl-CoA.
การเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องของกรดซิตริกในวงจรเครบส์

ปฏิกิริยารีดอกซ์เหล่านี้ ตัวอย่างที่ให้ไว้ข้างต้น สะท้อนถึงแก่นแท้ของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่ในแง่ทั่วไปเท่านั้น เป็นที่ทราบกันดีว่าสารประกอบที่เป็นปัญหานั้นมีน้ำหนักโมเลกุลสูงหรือมีโครงกระดูกคาร์บอนขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะนำเสนอทุกอย่างด้วยสูตรที่สมบูรณ์

พลังงานของการหายใจของเนื้อเยื่อ

จากคำอธิบายข้างต้น จะเห็นได้ชัดว่าการคำนวณผลผลิตพลังงานรวมของการเกิดออกซิเดชันทั้งหมดไม่ใช่เรื่องยาก

ไกลโคไลซิสสร้างโมเลกุล ATP สองตัว
ไพรูเวทออกซิเดชัน 12 โมเลกุล ATP
22 โมเลกุลต่อรอบกรดซิตริก

บรรทัดล่าง: การเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพที่สมบูรณ์ผ่านทางเดินแอโรบิกให้พลังงานที่ส่งออกเท่ากับ 36 ATP โมเลกุล ความสำคัญของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพนั้นชัดเจน มันคือพลังงานที่ใช้โดยสิ่งมีชีวิตเพื่อชีวิตและการทำงานตลอดจนทำให้ร่างกายอบอุ่นการเคลื่อนไหวและสิ่งอื่น ๆ ที่จำเป็น

แอโรบิกออกซิเดชันของซับสเตรต

การเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพประเภทที่สองเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจน นั่นคือสิ่งที่ทุกคนทำ แต่จุลินทรีย์บางชนิดหยุดนิ่ง นี่คือไกลโคไลซิส และด้วยเหตุนี้เองที่ความแตกต่างในการเปลี่ยนแปลงต่อไปของสารระหว่างแอโรบิกและแอนแอโรบสามารถติดตามได้อย่างชัดเจน

ทางเดินนี้มีขั้นตอนการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพไม่กี่ขั้น

ไกลโคไลซิส นั่นคือ การเกิดออกซิเดชันของโมเลกุลกลูโคสไปเป็นไพรูเวต
การหมักทำให้เกิด ATP ขึ้นใหม่

การหมักอาจแตกต่างกันได้ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้อง

การหมักกรดแลคติก

ดำเนินการโดยแบคทีเรียกรดแลคติกและเชื้อราบางชนิด สิ่งสำคัญที่สุดคือการคืนค่า PVC ให้เป็นกรดแลคติค กระบวนการนี้ใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อรับ:

ผลิตภัณฑ์นมหมัก;
ผักและผลไม้หมัก
ไซโลสัตว์

การหมักประเภทนี้เป็นหนึ่งในความต้องการของมนุษย์มากที่สุด

หมักแอลกอฮอล์

รู้จักกันมาแต่โบราณ สาระสำคัญของกระบวนการนี้คือการแปลง PVC เป็นสองโมเลกุลของเอธานอลและคาร์บอนไดออกไซด์สองโมเลกุล เนื่องจากผลผลิตนี้ การหมักประเภทนี้จึงถูกใช้เพื่อให้ได้:

ขนมปัง;
ไวน์;
เบียร์;
ขนมและอีกมากมาย

ดำเนินการโดยเชื้อรา ยีสต์ และจุลินทรีย์ที่มีลักษณะเป็นแบคทีเรีย

การหมักบิวทีริก

การหมักที่ค่อนข้างเฉพาะเจาะจง ดำเนินการโดยแบคทีเรียในสกุล Clostridium สิ่งสำคัญที่สุดคือการเปลี่ยนไพรูเวตเป็นกรดบิวทิริก ซึ่งทำให้อาหารมีกลิ่นไม่พึงประสงค์และมีรสหืน

ดังนั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชันทางชีวภาพตามเส้นทางนี้จึงไม่ได้ใช้จริงในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม แบคทีเรียเหล่านี้หว่านอาหารด้วยตัวเองและก่อให้เกิดอันตราย ทำให้คุณภาพของอาหารลดลง