Sans énergie, pas un seul être vivant ne peut exister. Après tout, chaque réaction chimique, chaque processus nécessite sa présence. Il est facile pour quiconque de comprendre et de ressentir cela. Si vous ne mangez pas de nourriture toute la journée, le soir, et peut-être même plus tôt, des symptômes de fatigue accrue, une léthargie commenceront, la force diminuera considérablement.
Comment différents organismes se sont-ils adaptés pour obtenir de l'énergie ? D'où vient-il et quels processus se déroulent à l'intérieur de la cellule ? Essayons de comprendre cet article.
Obtenir de l'énergie par les organismes
Quelle que soit la façon dont les créatures consomment de l'énergie, les ORR (réactions d'oxydo-réduction) sont toujours la base. Divers exemples peuvent être donnés. L'équation de la photosynthèse, qui est réalisée par les plantes vertes et certaines bactéries, est également OVR. Naturellement, les processus différeront selon l'être vivant auquel il s'agit.
Ainsi, tous les animaux sont hétérotrophes. Autrement dit, de tels organismes qui ne sont pas capables de former indépendamment des composés organiques prêts à l'emploi en eux-mêmes pourleur division et la libération de l'énergie des liaisons chimiques.
Les plantes, au contraire, sont le plus puissant producteur de matière organique de notre planète. Ce sont eux qui réalisent un processus complexe et important appelé photosynthèse, qui consiste en la formation de glucose à partir d'eau, de dioxyde de carbone sous l'action d'une substance spéciale - la chlorophylle. Le sous-produit est l'oxygène, qui est la source de vie de tous les êtres vivants aérobies.
Réactions redox, dont des exemples illustrent ce processus:
6CO2 + 6H2O=chlorophylle=C6H 10O6 + 6O2;
ou
dioxyde de carbone + oxyde d'hydrogène sous l'influence du pigment chlorophyllien (enzyme de réaction)=monosaccharide + oxygène moléculaire libre
Il existe également de tels représentants de la biomasse de la planète qui sont capables d'utiliser l'énergie des liaisons chimiques des composés inorganiques. Ils sont appelés chimiotrophes. Ceux-ci comprennent de nombreux types de bactéries. Par exemple, les micro-organismes à hydrogène qui oxydent les molécules de substrat dans le sol. Le processus se déroule selon la formule:
Histoire du développement des connaissances sur l'oxydation biologique
Le processus qui sous-tend la production d'énergie est aujourd'hui bien connu. C'est l'oxydation biologique. La biochimie a étudié les subtilités et les mécanismes de toutes les étapes de l'action avec un tel détail qu'il n'y a presque plus de mystères. Cependant, ce n'était pastoujours.
La première mention des transformations les plus complexes se produisant à l'intérieur des êtres vivants, qui sont des réactions chimiques dans la nature, est apparue vers le 18ème siècle. C'est à cette époque qu'Antoine Lavoisier, le célèbre chimiste français, s'est intéressé à la similarité de l'oxydation biologique et de la combustion. Il a tracé le chemin approximatif de l'oxygène absorbé pendant la respiration et est arrivé à la conclusion que les processus d'oxydation se produisent à l'intérieur du corps, seulement plus lentement qu'à l'extérieur lors de la combustion de diverses substances. C'est-à-dire que l'agent oxydant - les molécules d'oxygène - réagit avec les composés organiques, et plus précisément avec l'hydrogène et le carbone qu'ils contiennent, et une transformation complète se produit, accompagnée d'une décomposition des composés.
Cependant, bien que cette hypothèse soit essentiellement bien réelle, beaucoup de choses restaient incompréhensibles. Par exemple:
- puisque les processus sont similaires, les conditions de leur apparition doivent être identiques, mais l'oxydation se produit à basse température corporelle;
- l'action ne s'accompagne pas de la libération d'une énorme quantité d'énergie thermique et il n'y a pas de formation de flamme;
- les êtres vivants contiennent au moins 75-80% d'eau, mais cela n'empêche pas la "brûlure" des nutriments qu'ils contiennent.
Il a fallu des années pour répondre à toutes ces questions et comprendre ce qu'est vraiment l'oxydation biologique.
Il y avait différentes théories qui impliquaient l'importance de la présence d'oxygène et d'hydrogène dans le processus. Les plus courants et les plus réussis étaient:
- La théorie de Bach, appeléeperoxyde;
- La théorie de Palladin, basée sur le concept de "chromogènes".
À l'avenir, de nombreux autres scientifiques, tant en Russie que dans d'autres pays du monde, ont progressivement apporté des ajouts et des modifications à la question de savoir ce qu'est l'oxydation biologique. La biochimie moderne, grâce à ses travaux, peut raconter chaque réaction de ce processus. Parmi les noms les plus connus dans ce domaine, citons les suivants:
- Mitchell;
- S. V. Séverin;
- Warburg;
- B. A. Belitzer;
- Leninger;
- B. P. Skoulatchev;
- Krebs;
- Greene;
- B. A. Engelhardt;
- Kailin et autres.
Types d'oxydation biologique
Il existe deux principaux types de processus à l'étude, qui se produisent dans des conditions différentes. Ainsi, le moyen le plus courant de convertir la nourriture reçue dans de nombreuses espèces de micro-organismes et de champignons est anaérobie. Il s'agit d'une oxydation biologique, qui s'effectue sans accès à l'oxygène et sans sa participation sous quelque forme que ce soit. Des conditions similaires sont créées là où il n'y a pas d'accès à l'air: sous terre, dans les substrats en décomposition, les limons, les argiles, les marécages et même dans l'espace.
Ce type d'oxydation porte un autre nom: la glycolyse. C'est aussi l'une des étapes d'un processus plus complexe et laborieux, mais énergétiquement riche - la transformation aérobie ou la respiration tissulaire. Il s'agit du second type de processus envisagé. Il se produit chez tous les êtres vivants aérobies-hétérotrophes, quil'oxygène est utilisé pour respirer.
Ainsi, les types d'oxydation biologique sont les suivants.
- Glycolyse, voie anaérobie. Ne nécessite pas la présence d'oxygène et entraîne diverses formes de fermentation.
- Respiration tissulaire (phosphorylation oxydative), ou vue aérobie. Nécessite la présence d'oxygène moléculaire.
Participants au processus
Passons à l'examen des caractéristiques mêmes que contient l'oxydation biologique. Définissons les principaux composés et leurs abréviations, que nous utiliserons à l'avenir.
- Acétylcoenzyme-A (acétyl-CoA) est un condensat d'acide oxalique et acétique avec une coenzyme, formé au premier stade du cycle de l'acide tricarboxylique.
- Le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique, acides tricarboxyliques) est une série de transformations redox séquentielles complexes accompagnées de la libération d'énergie, de la réduction de l'hydrogène et de la formation d'importants produits de faible poids moléculaire. C'est le maillon principal du cata- et de l'anabolisme.
- NAD et NADH - enzyme déshydrogénase, signifie nicotinamide adénine dinucléotide. La deuxième formule est une molécule avec un hydrogène attaché. NADP - nicotinamide adénine dinucléotide phosphate.
- FAD et FADN − flavine adénine dinucléotide - coenzyme des déshydrogénases.
- ATP - acide adénosine triphosphorique.
- PVC - acide pyruvique ou pyruvate.
- Succinate ou acide succinique, H3PO4− acide phosphorique.
- GTP − guanosine triphosphate, classe des nucléotides puriques.
- ETC - chaîne de transport d'électrons.
- Enzymes du processus: peroxydases, oxygénases, cytochrome oxydases, flavine déshydrogénases, divers coenzymes et autres composés.
Tous ces composés participent directement au processus d'oxydation qui se produit dans les tissus (cellules) des organismes vivants.
Étapes d'oxydation biologique: tableau
| Étape | Processus et signification |
| Glycolyse | L'essence du processus réside dans la séparation sans oxygène des monosaccharides, qui précède le processus de respiration cellulaire et s'accompagne d'une production d'énergie égale à deux molécules d'ATP. Du pyruvate est également formé. C'est le stade initial pour tout organisme vivant d'un hétérotrophe. Importance dans la formation de PVC, qui pénètre dans les crêtes des mitochondries et est un substrat pour l'oxydation des tissus par l'oxygène. Chez les anaérobies, après la glycolyse, des processus de fermentation de différents types commencent. |
| Oxydation du pyruvate | Ce procédé consiste en la conversion du PVC formé lors de la glycolyse en acétyl-CoA. Elle est réalisée à l'aide d'un complexe enzymatique spécialisé pyruvate déshydrogénase. Le résultat est des molécules de cétyl-CoA qui entrent dans le cycle de Krebs. Dans le même processus, le NAD est réduit en NADH. Lieu de localisation - crêtes de mitochondries. |
| La répartition des acides gras bêta | Ce processus est mené en parallèle du précédent surcrêtes mitochondriales. Son essence est de transformer tous les acides gras en acétyl-CoA et de le mettre dans le cycle de l'acide tricarboxylique. Cela restaure également le NADH. |
| Cycle de Krebs |
Commence par la conversion de l'acétyl-CoA en acide citrique, qui subit d'autres transformations. L'une des étapes les plus importantes qui comprend l'oxydation biologique. Cet acide est exposé à:
Chaque processus est effectué plusieurs fois. Résultat: GTP, dioxyde de carbone, forme réduite de NADH et FADH2. Dans le même temps, les enzymes d'oxydation biologique se trouvent librement dans la matrice des particules mitochondriales. |
| Phosphorylation oxydative | Il s'agit de la dernière étape de la conversion des composés dans les organismes eucaryotes. Dans ce cas, l'adénosine diphosphate est convertie en ATP. L'énergie nécessaire pour cela provient de l'oxydation des molécules NADH et FADH2 qui se sont formées au cours des étapes précédentes. Par des transitions successives le long de l'ETC et une diminution des potentiels, l'énergie est conclue en liaisons macroergiques de l'ATP. |
Ce sont tous des processus qui accompagnent l'oxydation biologique avec la participation de l'oxygène. Naturellement, ils ne sont pas entièrement décrits, mais seulement en substance, car un chapitre entier du livre est nécessaire pour une description détaillée. Tous les processus biochimiques des organismes vivants sont extrêmement complexes et multiformes.
Réactions redox du processus
Les réactions redox, dont des exemples peuvent illustrer les processus d'oxydation du substrat décrits ci-dessus, sont les suivantes.
- Glycolyse: monosaccharide (glucose) + 2NAD+ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H+ + 2H 2O + NADH.
- Oxydation du pyruvate: PVC + enzyme=dioxyde de carbone + acétaldéhyde. Puis l'étape suivante: acétaldéhyde + Coenzyme A=acétyl-CoA.
- Plusieurs transformations successives de l'acide citrique dans le cycle de Krebs.
Ces réactions redox, dont des exemples sont donnés ci-dessus, ne reflètent l'essence des processus en cours qu'en termes généraux. On sait que les composés en question ont soit un poids moléculaire élevé, soit un grand squelette carboné, il n'est donc tout simplement pas possible de tout représenter avec des formules complètes.
Production énergétique de la respiration tissulaire
D'après les descriptions ci-dessus, il est évident qu'il n'est pas difficile de calculer le rendement énergétique total de l'ensemble de l'oxydation.
- La glycolyse produit deux molécules d'ATP.
- Oxydation du pyruvate 12 molécules d'ATP.
- 22 molécules par cycle d'acide citrique.
Bottom line: l'oxydation biologique complète par la voie aérobie donne une production d'énergie égale à 36 molécules d'ATP. L'importance de l'oxydation biologique est évidente. C'est cette énergie qui est utilisée par les organismes vivants pour la vie et le fonctionnement, ainsi que pour réchauffer leur corps, leurs mouvements et d'autres choses nécessaires.
Oxydation anaérobie du substrat
Le deuxième type d'oxydation biologique est anaérobie. C'est-à-dire celui qui est effectué par tout le monde, mais sur lequel s'arrêtent les micro-organismes de certaines espèces. C'est la glycolyse, et c'est à partir de là que les différences dans la transformation ultérieure des substances entre les aérobies et les anaérobies sont clairement tracées.
Il y a peu d'étapes d'oxydation biologique le long de cette voie.
- Glycolyse, c'est-à-dire l'oxydation d'une molécule de glucose en pyruvate.
- Fermentation conduisant à la régénération de l'ATP.
La fermentation peut être de différents types, selon les organismes impliqués.
Fermentation lactique
Effectuée par des bactéries lactiques et certains champignons. L'essentiel est de restaurer le PVC en acide lactique. Ce procédé est utilisé dans l'industrie pour obtenir:
- produits laitiers fermentés;
- légumes et fruits fermentés;
- silos d'animaux.
Ce type de fermentation est l'un des plus utilisés dans les besoins humains.
Fermentation alcoolique
Connu depuis l'antiquité. L'essence du processus est la conversion du PVC en deux molécules d'éthanol et deux de dioxyde de carbone. En raison de ce rendement en produit, ce type de fermentation est utilisé pour obtenir:
- pain;
- vin;
- bière;
- confiserie et plus.
Elle est réalisée par des champignons, des levures et des micro-organismes de nature bactérienne.
Fermentation butyrique
Un type de fermentation assez étroitement spécifique. Réalisée par des bactéries du genre Clostridium. L'essentiel est la conversion du pyruvate en acide butyrique, qui donne aux aliments une odeur désagréable et un goût rance.
Par conséquent, les réactions d'oxydation biologique suivant cette voie ne sont pratiquement pas utilisées dans l'industrie. Cependant, ces bactéries sèment les aliments d'elles-mêmes et causent des dommages, ce qui réduit leur qualité.
