जैविक ऑक्सीकरण। रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं: उदाहरण

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-15 17:24

ऊर्जा के बिना एक भी जीव का अस्तित्व नहीं रह सकता। आखिरकार, हर रासायनिक प्रतिक्रिया, हर प्रक्रिया को अपनी उपस्थिति की आवश्यकता होती है। इसे समझना और महसूस करना किसी के लिए भी आसान है। यदि आप पूरे दिन भोजन नहीं करते हैं, तो शाम तक, और संभवतः पहले भी, थकान, सुस्ती के लक्षण शुरू हो जाएंगे, ताकत काफी कम हो जाएगी।

ऊर्जा प्राप्त करने के लिए विभिन्न जीवों ने कैसे अनुकूलन किया है? यह कहाँ से आता है और कोशिका के अंदर क्या प्रक्रियाएँ होती हैं? आइए इस लेख को समझने की कोशिश करते हैं।

जीवों द्वारा ऊर्जा प्राप्त करना

जीव जिस तरह से ऊर्जा का उपभोग करते हैं, ओआरआर (ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया) हमेशा आधार होते हैं। विभिन्न उदाहरण दिए जा सकते हैं। प्रकाश संश्लेषण का समीकरण, जो हरे पौधों और कुछ जीवाणुओं द्वारा किया जाता है, भी OVR है। स्वाभाविक रूप से, प्रक्रिया अलग-अलग होगी जिसके आधार पर जीवित प्राणी का मतलब है।

तो, सभी जानवर विषमपोषी हैं। यानी ऐसे जीव जो स्वतंत्र रूप से अपने भीतर तैयार कार्बनिक यौगिकों को बनाने में सक्षम नहीं हैंउनके आगे विभाजन और रासायनिक बंधों की ऊर्जा का विमोचन।

पौधे, इसके विपरीत, हमारे ग्रह पर कार्बनिक पदार्थों के सबसे शक्तिशाली उत्पादक हैं। यह वे हैं जो प्रकाश संश्लेषण नामक एक जटिल और महत्वपूर्ण प्रक्रिया को अंजाम देते हैं, जिसमें एक विशेष पदार्थ - क्लोरोफिल की क्रिया के तहत पानी से ग्लूकोज, कार्बन डाइऑक्साइड का निर्माण होता है। उपोत्पाद ऑक्सीजन है, जो सभी एरोबिक जीवित चीजों के लिए जीवन का स्रोत है।

रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं, जिसके उदाहरण इस प्रक्रिया को स्पष्ट करते हैं:

6CO₂ + 6H₂O=क्लोरोफिल=C₆H ₁₀ओ₆ + 6ओ₂;

या

क्लोरोफिल वर्णक (प्रतिक्रिया एंजाइम) के प्रभाव में कार्बन डाइऑक्साइड + हाइड्रोजन ऑक्साइड=मोनोसैकराइड + मुक्त आणविक ऑक्सीजन।

ग्रह के बायोमास के ऐसे प्रतिनिधि भी हैं जो अकार्बनिक यौगिकों के रासायनिक बंधों की ऊर्जा का उपयोग करने में सक्षम हैं। उन्हें केमोट्रोफ कहा जाता है। इनमें कई तरह के बैक्टीरिया शामिल हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन सूक्ष्मजीव जो मिट्टी में सब्सट्रेट अणुओं का ऑक्सीकरण करते हैं। प्रक्रिया सूत्र के अनुसार होती है:

जैविक ऑक्सीकरण के ज्ञान के विकास का इतिहास

ऊर्जा उत्पादन में अंतर्निहित प्रक्रिया आज सर्वविदित है। यह जैविक ऑक्सीकरण है। जैव रसायन ने क्रिया के सभी चरणों की सूक्ष्मताओं और तंत्रों का इतने विस्तार से अध्ययन किया है कि लगभग कोई रहस्य नहीं बचा है। हालाँकि, यह नहीं थाहमेशा।

जीवों के अंदर होने वाले सबसे जटिल परिवर्तनों का पहला उल्लेख, जो प्रकृति में रासायनिक प्रतिक्रियाएं हैं, 18 वीं शताब्दी के आसपास दिखाई दिए। यह इस समय था कि प्रसिद्ध फ्रांसीसी रसायनज्ञ एंटोनी लावोसियर ने अपना ध्यान इस बात पर लगाया कि समान जैविक ऑक्सीकरण और दहन कैसे होते हैं। उन्होंने सांस लेने के दौरान अवशोषित ऑक्सीजन के अनुमानित पथ का पता लगाया और इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि शरीर के अंदर ऑक्सीकरण प्रक्रियाएं होती हैं, विभिन्न पदार्थों के दहन के दौरान बाहर की तुलना में केवल धीमी होती हैं। यही है, ऑक्सीकरण एजेंट - ऑक्सीजन अणु - कार्बनिक यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, और विशेष रूप से, उनसे हाइड्रोजन और कार्बन के साथ, और यौगिकों के अपघटन के साथ एक पूर्ण परिवर्तन होता है।

हालांकि, हालांकि यह धारणा अनिवार्य रूप से काफी वास्तविक है, फिर भी कई चीजें समझ से बाहर हैं। उदाहरण के लिए:

• चूंकि प्रक्रियाएं समान हैं, तो उनके होने की स्थितियां समान होनी चाहिए, लेकिन ऑक्सीकरण कम शरीर के तापमान पर होता है;
• कार्रवाई के साथ बड़ी मात्रा में तापीय ऊर्जा का उत्सर्जन नहीं होता है और कोई लौ नहीं बनती है;
• जीवों में कम से कम 75-80% पानी होता है, लेकिन यह उनमें पोषक तत्वों के "जलने" को नहीं रोकता है।

इन सभी सवालों के जवाब देने और यह समझने में सालों लग गए कि वास्तव में जैविक ऑक्सीकरण क्या है।

विभिन्न सिद्धांत थे जो इस प्रक्रिया में ऑक्सीजन और हाइड्रोजन की उपस्थिति के महत्व को दर्शाते थे। सबसे आम और सबसे सफल थे:

• बाख का सिद्धांत, कहा जाता हैपेरोक्साइड;
• पल्लाडिन का सिद्धांत, "क्रोमोजेन्स" की अवधारणा पर आधारित है।

भविष्य में, रूस और दुनिया के अन्य देशों में कई और वैज्ञानिक थे, जिन्होंने धीरे-धीरे इस सवाल में बदलाव और बदलाव किए कि जैविक ऑक्सीकरण क्या है। आधुनिक जैव रसायन, अपने काम के लिए धन्यवाद, इस प्रक्रिया की हर प्रतिक्रिया के बारे में बता सकते हैं। इस क्षेत्र में सबसे प्रसिद्ध नामों में निम्नलिखित हैं:

• मिशेल;
• एस. वी. सेवेरिन;
• वारबर्ग;
• बी. ए. बेलिट्जर;
• लेनिंजर;
• बी. पी. स्कुलचेव;
• क्रेब्स;
• हरा;
• बी. ए. एंगेलहार्ड्ट;
• कैलिन और अन्य।

जैविक ऑक्सीकरण के प्रकार

विचाराधीन प्रक्रिया के दो मुख्य प्रकार हैं, जो विभिन्न परिस्थितियों में होते हैं। तो, सूक्ष्मजीवों और कवक की कई प्रजातियों में प्राप्त भोजन को परिवर्तित करने का सबसे आम तरीका अवायवीय है। यह जैविक ऑक्सीकरण है, जो ऑक्सीजन तक पहुंच के बिना और किसी भी रूप में इसकी भागीदारी के बिना किया जाता है। इसी तरह की स्थितियां बनाई जाती हैं जहां हवा तक पहुंच नहीं होती है: भूमिगत, सड़ते हुए सबस्ट्रेट्स, सिल्ट, मिट्टी, दलदल, और यहां तक कि अंतरिक्ष में भी।

इस प्रकार के ऑक्सीकरण का दूसरा नाम ग्लाइकोलाइसिस है। यह अधिक जटिल और श्रमसाध्य, लेकिन ऊर्जावान रूप से समृद्ध प्रक्रिया के चरणों में से एक है - एरोबिक परिवर्तन या ऊतक श्वसन। यह दूसरी तरह की प्रक्रिया है जिस पर विचार किया जा रहा है। यह सभी एरोबिक जीवित प्राणियों-विषमपोषियों में होता है, जोसांस लेने के लिए ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है।

तो जैविक ऑक्सीकरण के प्रकार इस प्रकार हैं।

1. ग्लाइकोलिसिस, अवायवीय मार्ग। ऑक्सीजन की उपस्थिति की आवश्यकता नहीं होती है और इसके परिणामस्वरूप विभिन्न प्रकार के किण्वन होते हैं।
2. ऊतक श्वसन (ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण), या एरोबिक दृश्य। आणविक ऑक्सीजन की उपस्थिति की आवश्यकता है।

प्रक्रिया में भाग लेने वाले

आइए हम उन विशेषताओं पर विचार करें जो जैविक ऑक्सीकरण में शामिल हैं। आइए मुख्य यौगिकों और उनके संक्षिप्त रूपों को परिभाषित करें, जिनका हम भविष्य में उपयोग करेंगे।

1. एसिटाइलकोएंजाइम-ए (एसिटाइल-सीओए) एक कोएंजाइम के साथ ऑक्सालिक और एसिटिक एसिड का घनीभूत होता है, जो ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र के पहले चरण में बनता है।
2. क्रेब्स चक्र (साइट्रिक एसिड चक्र, ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड) जटिल अनुक्रमिक रेडॉक्स परिवर्तनों की एक श्रृंखला है जिसमें ऊर्जा की रिहाई, हाइड्रोजन की कमी और महत्वपूर्ण कम आणविक भार उत्पादों का निर्माण होता है। यह कैटा- और उपचय में मुख्य कड़ी है।
3. NAD और NADH - डिहाइड्रोजनेज एंजाइम, निकोटीनैमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड के लिए खड़ा है। दूसरा सूत्र संलग्न हाइड्रोजन के साथ एक अणु है। एनएडीपी - निकोटीनैमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट।
4. FAD और FADN - फ्लेविन एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड - डिहाइड्रोजनेज के कोएंजाइम।
5. एटीपी - एडेनोसिन ट्राइफॉस्फोरिक एसिड।
6. पीवीसी - पाइरुविक एसिड या पाइरूवेट।
7. सक्सेनेट या सक्किनिक एसिड, एच₃पीओ₄− फॉस्फोरिक एसिड।
8. GTP - ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट, प्यूरीन न्यूक्लियोटाइड्स का वर्ग।
9. ETC - इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला।
10. प्रक्रिया के एंजाइम: पेरोक्सीडेस, ऑक्सीजनेज, साइटोक्रोम ऑक्सीडेस, फ्लेविन डिहाइड्रोजनेज, विभिन्न कोएंजाइम और अन्य यौगिक।

ये सभी यौगिक जीवों के ऊतकों (कोशिकाओं) में होने वाली ऑक्सीकरण प्रक्रिया में प्रत्यक्ष भागीदार होते हैं।

जैविक ऑक्सीकरण चरण: तालिका

मंच	प्रक्रियाएं और अर्थ
ग्लाइकोलिसिस	प्रक्रिया का सार मोनोसेकेराइड के ऑक्सीजन मुक्त विभाजन में निहित है, जो सेलुलर श्वसन की प्रक्रिया से पहले होता है और दो एटीपी अणुओं के बराबर ऊर्जा उत्पादन के साथ होता है। पाइरूवेट भी बनता है। हेटरोट्रॉफ़ के किसी भी जीवित जीव के लिए यह प्रारंभिक चरण है। पीवीसी के निर्माण में महत्व, जो माइटोकॉन्ड्रिया के क्राइस्ट में प्रवेश करता है और ऑक्सीजन द्वारा ऊतक ऑक्सीकरण के लिए एक सब्सट्रेट है। एनारोबेस में, ग्लाइकोलाइसिस के बाद, विभिन्न प्रकार की किण्वन प्रक्रिया शुरू होती है।
पाइरूवेट ऑक्सीकरण	इस प्रक्रिया में ग्लाइकोलाइसिस के दौरान बनने वाले पीवीसी को एसिटाइल-सीओए में बदलना शामिल है। यह एक विशेष एंजाइम कॉम्प्लेक्स पाइरूवेट डिहाइड्रोजनेज का उपयोग करके किया जाता है। परिणाम cetyl-CoA अणु है जो क्रेब्स चक्र में प्रवेश करते हैं। उसी प्रक्रिया में, NAD को NADH में घटा दिया जाता है। स्थानीयकरण का स्थान - माइटोकॉन्ड्रिया का क्राइस्ट।
बीटा फैटी एसिड का टूटना	यह प्रक्रिया पिछले एक के समानांतर की जाती हैमाइटोकॉन्ड्रियल क्राइस्ट। इसका सार सभी फैटी एसिड को एसिटाइल-सीओए में संसाधित करना और इसे ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र में डालना है। यह NADH को भी पुनर्स्थापित करता है।
क्रेब्स साइकिल	एसिटाइल-सीओए के साइट्रिक एसिड में रूपांतरण के साथ शुरू होता है, जो आगे के परिवर्तनों से गुजरता है। सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक जिसमें जैविक ऑक्सीकरण शामिल है। इस अम्ल के संपर्क में है: डीहाइड्रोजनीकरण; डीकार्बोक्सिलेशन; पुनरुत्थान। प्रत्येक प्रक्रिया कई बार की जाती है। परिणाम: जीटीपी, कार्बन डाइऑक्साइड, एनएडीएच और एफएडीएच का कम रूप 2। इसी समय, जैविक ऑक्सीकरण एंजाइम माइटोकॉन्ड्रियल कणों के मैट्रिक्स में स्वतंत्र रूप से स्थित होते हैं।
ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण	यूकैरियोटिक जीवों में यौगिकों के रूपांतरण का यह अंतिम चरण है। इस मामले में, एडेनोसिन डिपोस्फेट एटीपी में परिवर्तित हो जाता है। इसके लिए आवश्यक ऊर्जा उन NADH और FADH2 अणुओं के ऑक्सीकरण से ली जाती है जो पिछले चरणों में बने थे। ईटीसी के साथ लगातार संक्रमण और क्षमता में कमी के माध्यम से, एटीपी के मैक्रोर्जिक बांड में ऊर्जा का निष्कर्ष निकाला जाता है।

ये सभी प्रक्रियाएं हैं जो ऑक्सीजन की भागीदारी के साथ जैविक ऑक्सीकरण के साथ होती हैं। स्वाभाविक रूप से, उनका पूरी तरह से वर्णन नहीं किया गया है, लेकिन केवल संक्षेप में, क्योंकि विस्तृत विवरण के लिए पुस्तक के पूरे अध्याय की आवश्यकता है। जीवों की सभी जैव रासायनिक प्रक्रियाएं अत्यंत बहुआयामी और जटिल हैं।

प्रक्रिया की रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं

रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं, जिनके उदाहरण ऊपर वर्णित सब्सट्रेट ऑक्सीकरण की प्रक्रियाओं को स्पष्ट कर सकते हैं, इस प्रकार हैं।

1. ग्लाइकोलिसिस: मोनोसैकराइड (ग्लूकोज) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂ओ + नाध।
2. पाइरूवेट ऑक्सीकरण: पीवीसी + एंजाइम=कार्बन डाइऑक्साइड + एसीटैल्डिहाइड। फिर अगला कदम: एसीटैल्डिहाइड + कोएंजाइम ए=एसिटाइल-सीओए।
3. क्रेब्स चक्र में साइट्रिक एसिड के कई क्रमिक परिवर्तन।

ये रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं, जिनके उदाहरण ऊपर दिए गए हैं, केवल सामान्य शब्दों में चल रही प्रक्रियाओं के सार को दर्शाती हैं। यह ज्ञात है कि विचाराधीन यौगिक या तो उच्च आणविक भार वाले होते हैं या उनमें एक बड़ा कार्बन कंकाल होता है, इसलिए हर चीज को पूर्ण सूत्रों के साथ प्रस्तुत करना संभव नहीं है।

ऊतक श्वसन का ऊर्जा उत्पादन

उपरोक्त विवरण से यह स्पष्ट है कि पूरे ऑक्सीकरण की कुल ऊर्जा उपज की गणना करना मुश्किल नहीं है।

1. ग्लाइकोलिसिस दो एटीपी अणु पैदा करता है।
2. पाइरूवेट ऑक्सीकरण 12 एटीपी अणु।
3. 22 अणु प्रति साइट्रिक एसिड चक्र।

निचला रेखा: एरोबिक मार्ग के माध्यम से पूर्ण जैविक ऑक्सीकरण 36 एटीपी अणुओं के बराबर ऊर्जा उत्पादन देता है। जैविक ऑक्सीकरण का महत्व स्पष्ट है। यह वह ऊर्जा है जो जीवित जीवों द्वारा जीवन और कार्य करने के साथ-साथ अपने शरीर को गर्म करने, गति और अन्य आवश्यक चीजों के लिए उपयोग की जाती है।

सब्सट्रेट का अवायवीय ऑक्सीकरण

दूसरे प्रकार का जैविक ऑक्सीकरण अवायवीय है। यानी एक ऐसा जो हर किसी के द्वारा किया जाता है, लेकिन जिस पर कुछ खास प्रजातियों के सूक्ष्मजीव रुक जाते हैं। यह ग्लाइकोलाइसिस है, और इससे एरोबेस और एनारोबेस के बीच पदार्थों के आगे परिवर्तन में अंतर स्पष्ट रूप से पता लगाया जाता है।

इस मार्ग के साथ कुछ जैविक ऑक्सीकरण चरण हैं।

1. ग्लाइकोलिसिस, यानी ग्लूकोज अणु का पाइरूवेट में ऑक्सीकरण।
2. किण्वन से एटीपी पुनर्जनन होता है।

किण्वन विभिन्न प्रकार का हो सकता है, जो इसमें शामिल जीवों पर निर्भर करता है।

लैक्टिक एसिड किण्वन

लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया और कुछ कवक द्वारा किया जाता है। लब्बोलुआब यह है कि पीवीसी को लैक्टिक एसिड में बहाल करना है। इस प्रक्रिया का उपयोग उद्योग में प्राप्त करने के लिए किया जाता है:

• किण्वित दूध उत्पाद;
• किण्वित सब्जियां और फल;
• पशु सिलोस।

इस प्रकार का किण्वन मानव आवश्यकताओं में सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।

शराब किण्वन

प्राचीन काल से लोगों को पता है। प्रक्रिया का सार पीवीसी का इथेनॉल के दो अणुओं और दो कार्बन डाइऑक्साइड में रूपांतरण है। इस उत्पाद की उपज के कारण, इस प्रकार के किण्वन का उपयोग प्राप्त करने के लिए किया जाता है:

• रोटी;
• शराब;
• बीयर;
• कन्फेक्शनरी और बहुत कुछ।

यह जीवाणु प्रकृति के कवक, खमीर और सूक्ष्मजीवों द्वारा किया जाता है।

ब्यूटिरिक किण्वन

एक बल्कि संकीर्ण रूप से विशिष्ट प्रकार का किण्वन। क्लोस्ट्रीडियम जीनस के बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है। लब्बोलुआब यह है कि पाइरूवेट का ब्यूटिरिक एसिड में रूपांतरण होता है, जो भोजन को एक अप्रिय गंध और बासी स्वाद देता है।

इसलिए, इस पथ का अनुसरण करने वाली जैविक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं का उद्योग में व्यावहारिक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है। हालांकि, ये बैक्टीरिया खुद खाना बोते हैं और नुकसान पहुंचाते हैं, जिससे उनकी गुणवत्ता कम हो जाती है।