If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Բջջային շնչառություն և օքսիդավերականգնում․ ներածություն

Օքսիդավերականգնումը բջջային շնչառության ժամանակ․ ներածություն։ Կոնցենտրացիայի մակարդակը և օքսիդացման ֆոսֆորիլացումը։ Էլեկտրոնի փոխադրիչներ:

Ներածություն

Պատկերացրու, որ դու բջիջ ես։ Հենց նոր քեզ տվեցին մեծ, հյութալի գլյուկոզի մոլեկուլ, և դու ուզում ես այդ մոլեկուլի միջի էներգիան փոխակերպել ավելի մատչելի տեսակի էներգիայի, որը կօգնի քեզ արագացնել քո նյութափոխանակության ռեակցիաները։ Ինչպե՞ս դա կարող ես անել։ Ո՞րն է այդ գլյուկոզի մոլեկուլից հնարավորինս շատ էներգիա ստանալու և ապագայում օգտագործելու լավագույն եղանակը։
Բարեբախտաբար, մեր և այլ կենդանի օրգանիզմների բջիջները հիանալի կերպով կարողանում են գլյուկոզից և ուրիշ օրգանական միացություններից, ինչպիսիք են ճարպերն ու ամինաթթուները, էներգիա հավաքել։ Այստեղ մենք ավելի մանրամասն կուսումնասիրենք, թե ինչպես են բջիջները ճեղքում «վառելիքները»։ Այնուհետև ավելի մեծ ուշադրություն կդարձնենք էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայի ռեակցիաներին (վերօքս ռեակցիաներ), որոնք այս գործընթացի ամենակարևոր մասն են։

Ընդհանուր պատկերացում վառելիքի ճեղքավորման ուղիների մասին

Այն ռեակցիաները, որոնց ժամանակ գլյուկոզի նման մոլեկուլներից ստացվում է էներգիա, կոչվում են կատաբոլիկ ռեակցիաներ։ Դա նշանակում է, որ այդ ռեակցիաների ժամանակ մեծ մոլեկուլները ճեղքվում են ավելի փոքր մոլեկուլների։ Օրինակ, երբ գլյուկոզը ճեղքվում է թթվածնի առկայությամբ, առաջանում է ածխածնի երկօքսիդ գազի և ջրի վեցական մոլեկուլ։ Այս ռեակցիան ներկայացված է ստորև։
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686Կկալ/մոլ
Բջջում այս ռեակցիան կատարվում է մի քանի ավելի փոքր փուլերով։ Գլյուկոզի կապերի էներգիան դուրս է գալիս փոքր «պայթյուններով», և դրանց մի մասը դառնում է ադենոզին եռֆոսֆատ (ԱԵՖ)։ Դա մի փոքր մոլեկուլ է, որն էներգիա է տրամադրում բջջում կատարվող ռեակցիաների համար։ Գլյուկոզից անջատված էներգիայի մեծ մասը դառնում է ջերմություն, բայց բջջի նյութափոխանակության համար անհրաժեշտ էներգիան ևս ապահովվում է։
ԱԵՖ-ի կառուցվածքը։
_Մշակված նկարի աղբյուրը՝ "ATP: Adenosine triphosphate: Figure 1", ըստ՝ OpenStax College, Biology-ի, CC BY 4.0։_
Երբ գլյուկոզը հաջորդական քայլերով ճեղքվում է, ճեղքավորման ռեակցիաների ընթացում անջատվում է էներգիա, որը կլանվում է ԱԵՖ-ի տեսքով։ Այդ քայլերի ընթացքում ֆոսֆատային խումբն անմիջականորեն փոխանցվում է ԱԿՖ-ին։ Այդ գործընթացը կոչվում է ֆոսֆորիլացում սուբստրատի մակարդակում:
ԱԵՖ արտադրվում է նաև շատ ուրիշ քայլերի ընթացքում՝ անուղղակի եղանակով։ Այդպիսի քայլերում գլյուկոզի էլեկտրոնները փոխանցվում են փոքր մոլեկուլների, որոնք կոչվում են էլեկտրոնափոխադրիչներ։ Էլեկտրոնափոխադրիչները էլեկտրոններին տանում են միտոքոնդրիումի ներքին թաղանթում գտնվող սպիտակուցների խմբի մոտ, որոնք էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայի մասն են կազմում։ Էլեկտրոնները շարժվում են այդ շղթայով՝ բարձր էներգիական մակարդակից անցնելով ցածրի և ի վերջո հասնելով թթվածնին (առաջացնելով ջուր):
Երբ էլեկտրոնն անցնում է էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայով, այն էներգիան, որն անջատվում է, մղում է պրոտոններին (H+) միտոքոնդրիումի մատրիքսից դուրս՝ ձևավորելով էլեկտրաքիմիական գրադիենտ։ Երբ H+-ները գրադիենտի ուղղությամբ հետ՝ ներս են մտնում, նրանք անցնում են մի ֆերմենտի միջով, որը կոչվում է ԱԵՖ սինթազ։ Վերջինս ԱԵՖ-ի սինթեզի վայրն է։ Այս ամբողջ գործընթացը կոչվում է օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացում։ Ստորև պատկերված տրամագրում ցուցադրված են օքսիդատիվ և սուբստրատի մակարդակում ֆոսֆորիլացման օրինակներ։
Պարզեցված տրամագիր, որը ցույց է տալիս օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացումը և սուբստրատի մակարդակում ֆոսֆորիլացումը գլյուկոզի քայքայման ռեակցիաների ժամանակ: Միտոքոնդրիումի մատրիքսի ներսում սուբստրատի մակարդակում ֆոսֆորիլացումը տեղի է ունենում, երբ գլյուկոզի քայքայման ռեակցիաների միջանկյալ նյութից ֆոսֆատային խումբը փոխանցվում է ԱԿՖ-ին՝ առաջացնելով ԱԵՖ: Միևնույն ժամանակ, էլեկտրոնները էլեկտրոնափոխադրիչների միջոցով գլյուկոզի քայքայման ռեակցիաների միջանկյալ նյութերից փոխադրվում են էլեկտրոնափոխադրիչ շղթա: Էլեկտրոնները շարժվում են էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայով՝ պրոտոնները մղելով միջթաղանթային տարածություն: Երբ այդ պրոտոնները հետ են հոսում իրենց կոնցենտրացիոն գրադիենտի նվազման ուղղությամբ, նրանք անցնում են ԱԵՖ սինթազի միջով, որն օգտագործում է էլեկտրոնների հոսքը ԱԿՖ-ից և անօրգանական ֆոսֆատից (Ֆ) ԱԵՖ սինթեզելու համար: Էլեկտրոնների փոխադրման, պրոտոնների մղման և պրոտոնային գրադիենտի էներգիայի օգտագործմամբ ԱԵՖ ստեղծելու գործընթացը կոչվում է օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացում:
_Նկարի աղբյուրը՝ "Etc4", մշակումը՝ ըստ Fvasconcellos-ի (հանրային տիրույթ):_
Էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայի միջոցով օրգանական վառելիքի, ինչպիսին է գլյուկոզը, ճեղքման գործընթացը կոչվում է բջջային շնչառություն։

Էլեկտրոնափոխադրիչներ

Էլեկտրոնափոխադրիչները փոքր օրգանական մոլեկուլներ են, որոնք կարևոր դեր են խաղում բջջային շնչառության մեջ։ Նրանց անունը համապատասխանում է իրենց աշխատանքի նկարագրությանը․ մի մոլեկուլից վերցնում են էլեկտրոններն ու փոխանցում են մեկ ուրիշ մոլեկուլի։ Էլեկտրոնափոխադրիչներն առկա են նաև գլյուկոզի ճեղքման ռեակցիաներում՝ կարևոր դեր խաղալով էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայում, ինչպես ներկայացված է ստորև տրամագրում:
Էլեկտրոնափոխադրիչների երկու տեսակ կա, որոնք կարևոր են բջջային շնչառության ժամանակ՝ ՆԱԴ+ (նիկոտինամիդ ադենին դինուկլեոտիդ, պատկերված է ստորև) և ՖԱԴ (ֆլավին ադենին դինուկլեոտիդ):
NAD+-ի ու ՆԱԴH-ի քիմիական կառուցվածքները. ՆԱԴH-ն ունի ջրածին, որը կցված է մեկ ազոտ պարունակող օղակին, մինչդեռ ՆԱԴ+-ում այս նույն օղակը ջրածնի պակաս ունի և դրական է լիցքավորված։
_Նկարի աղբյուրը՝ "Energy in living systems: Figure 1", մշակումը՝ ըստ OpenStax College-ի, Biology (CC BY 3,0):_
Երբ ՆԱԴ+-ն ու ՖԱԴ-ը վերցնում են էլեկտրոններ, նրանք ձեռք են բերում նաև մեկ կամ ավելի ջրածնի ատոմներ, ինչ հետևանքով մի փոքր ձևափոխում են իրենց կառուցվածքը։
ՆԱԴ+ + 2e + 2H+ ՆԱԴH +  H+
ՖԱԴ + 2e + 2H+ ՖԱԴH2
Երբ նրանք ազատվում են Էլեկտրոններից, ընդունում են իրենց սկզբնական տեսքը։
ՆԱԴH ՆԱԴ+ + 2e + H+
ՖԱԴH2 ՖԱԴ + 2e + 2 H+
Այն ռեակցիաները, որոնց ընթացքում ՆԱԴ+-ն ու ՖԱԴ-ը ձեռք են բերում կամ կորցնում են էլեկտրոններ, կոչվում են վերօքս կամ օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ։ Եկ ավելի մանրամասն ուսումնասիրենք, թե ինչ են այդ ռեակցիաները, և ինչու են դրանք այդքան կարևոր բջջային շնչառության ընթացքում։

Օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ

Բջջային շնչառության ժամանակ տեղի են ունենում շատ ռեակցիաներ, որտեղ էլեկտրոնները փոխանցվում են մի մոլեկուլից մյուսին։ Այն ռեակցիաները, որոնք ներառում են էլեկտրոնի փոխանցում, կոչվում են օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ (կամ վերօքս ռեակցիաներ):
Քիմիայից հավանաբար գիտես, որ օքսիդավերականգնման ռեակցիան այն ռեակցիան է, որտեղ էլեկտրոն կորցրած մոլեկուլը օքսիդանում է, իսկ էլեկտրոն ձեռք բերած մոլեկուլը (այն էլեկտրոնը, որը կորցրել էր առաջին մոլեկուլը) վերականգնվում է: Ավելի լավ մտապահելու համար հիշիր «LEO goes GER» արտահայտությունը. Լose Electrons, Oxidized, Gain Electrons, Reduced: Այսինքն՝ կորցնում ես էլեկտրոն՝ օքսիդանում ես, ստանում ես էլեկտրոն՝ վերականգնվում ես։
Մագնեզիումի քլորիդի առաջացումը օքսիդավերականգնման ռեակցիայի օրինակ է, որը համընկնում է վերևում տրված սահմանման հետ։
Mg+Cl2Mg2++2Cl
Այս ռեակցիայի ընթացքում մագնեզիումի ատոմը կորցնում է երկու էլեկտրոն, որի հետևանքով օքսիդանում է։ Այդ երկու էլեկտրոններն ընդունում է քլորը, որը վերականգնվում է։
Սակայն, ինչպես նշվում է կենսաբանության մեջ օքսիդացման ու վերականգնման մասին տեսանյութում, մենք իրոք պետք է չակերտների մեջ վերցնենք «էլեկտրոններ ստանալ» կամ «էլեկտրոններ կորցնել» արտահայտությունը, երբ խոսում ենք այն մասին, թե օքսիդավերականգնման ռեակցիաների ընթացքում ինչ է տեղի ունենում մոլեկուլների հետ։ Պատճառն այն է, որ կարող ենք ունենալ նաև այնպիսի ռեակցիա, որտեղ մոլեկուլը խլում է էլեկտրոններ՝ լրիվ հագենալու փոխարեն, կամ իրենից են խլում էլեկտրոններ՝ վերջիններիս կորցնելու փոխարեն։
Դա ի՞նչ է նշանակում։ Պատկերավոր դարձնելու համար եկ որպես օրինակ վերցնենք այդ տեսանյութը.
2H2 + O2 2H2O + ջերմություն
Այս ռեակցիան չի ներառում էլեկտրոնի ակնհայտ փոխադրում, բայց, միևնույնն է, օքսիդավերականգնման ռեակցիայի օրինակ է։ Պատճառն այն է, որ H-ի ու O-ի ատոմների մեջ էլեկտրոնների խտության չափը վերջնանյութում տարբերվում է դրա՝ ռեակցիայի սկզբում եղած քանակից։
Ակնհայտ չէ, թե ինչու է սա ճիշտ, և այդ պատճառով եկ մասերի բաժանենք այն՝ օգտագործելով ատոմների հատկությունները։ Երբ H-ի ատոմները միացած են իրար H2-ում, դրանք հավասարապես կիսում են էլեկտրոնները, և դրանցից ոչ մեկը չի կարող հաղթել էլեկտրոնների համար կռվում։ Այս նույն երևույթը ճիշտ է նաև O2-ում O-ի ատոմների միջև կապի համար։ Սակայն իրավիճակը փոխվում է վերջանյութում՝ H2O-ում։ Թթվածինը ջրածնից էլեկտրաբացասական է, ինչի հետևանքով ջրի մոլեկուլում OH կապի մեջ O-ն խլելու է էլեկտրոնը, և էլեկտրոնը ավելի շատ ժամանակ է անցկացնելու հենց նրա հետ, այլ ոչ՝ H-ի։
Այսպիսով՝ անգամ եթե ոչ մի էլեկտրոն ամբողջությամբ վերցված կամ կորած չէ վերևի ռեակցիայում՝
  • O-ն ռեակցիայից հետո էլեկտրոնների ավելի մեծ խտություն ունի, քան ռեակցիայից առաջ (վերականգնվել է)։
  • H-ը էլեկտրոնային ավելի փոքր խտություն ունի, քան առաջ (օքսիդացել է)։
Քիմիայի գիտակների համար ռեակցիայի ընթացքում էլեկտրոնի խլումը կարող է ավելի լավ բնութագրվել O-ի և H-ի ատոմների օքսիդացման աստիճանների փոփոխությամբ։ Նայիր այս տեսանյութը, որպեսզի իմանաս, թե ինչպես կարող են օքսիդացման աստիճանները ծառայել որպես «հաշվապահական գործիքներ»՝ էլեկտրոնների բաշխումը ցուցադրելու համար։

Ի՞նչ կասես H-ի և O-ի ատոմներ ձեռք բերելու և կորցնելու մասին:

Օքսիդացման ու վերականգնման ռեակցիաները հիմնականում էլեկտրոնների փոխադրման և/կամ խլման մասին են։ Սակայն կենսաբանության համատեքստում կա մի փոքրիկ հնարք, որը մենք կարող ենք օգտագործել էլեկտրոնների շարժումը հասկանալու համար։ Այս հնարքը մեզ թույլ կտա օգտագործել H-ի և O-ի ատոմների ձեռքբերումն ու կորուստը՝ էլեկտրոնների շարժումն ավելի լավ պատկերացնելու համար։
Ընհանուր առմամբ՝
  • եթե ածխածին պարունակող մոլեկուլը ռեակցիայի ժամանակ H-ի ատոմներ է ձեռք բերում կամ O-ի ատոմներ է կորցնում, ապա այն ամենայն հավանականությամբ վերականգնվում է (ձեռք է բերում էլեկտրոններ կամ էլեկտրոնային խտություն):
  • Մյուս կողմից, եթե ածխածին պարունակող մոլեկուլը H-ի ատոմներ է կորցնում կամ O-ի ատոմներ է ձեռք բերում, ապա ամենայն հավանականությամբ այն օքսիդացել է (կորցրել է էլեկտրոններ կամ էլեկտրոնային խտություն)։
Օրինակի համար եկ վերադառնանք գլյուկոզի ճեղքավորման ռեակցիային․
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
Գլյուկոզի մոլեկուլում ածխածինը միացած է H-ի ատոմներին, իսկ ածխածնի երկօքսիդում այն H-ի ոչ մի ատոմի հետ միացած չէ։ Այսինքն՝ կարող ենք կռահել, որ այս ռեակցիայում գլյուկոզը օքսիդանում է։ Նույն կերպ, O-ի ատոմները O2-ում ռեակցիայից հետո ավելի մեծ քանակով H-ի ատոմների հետ են միանում, ինչից կարող ենք ենթադրել, որ թթվածինը վերականգնվում է։ (Բջջային շնչառության մեջ օքսիդավերականգնման ռեակցիաների դերի մասին պատմող տեսանյութում հաստատվում է այս փաստը էլեկտրոնների փոխադրման տեսանկյունից)։
Ինչո՞ւ է այս հնարքն աշխատում։ Ահա մի տարբերակ օքսիդացման և վերականգնման մասին այդ տեսանյութից․
  • Այն ատոմները, որոնց H-ը սովորաբար միանում է օրգանական միացություններում, ինչպիսիք են, օրինակ, C-ն, O-ն, N-ը և P-ն, ավելի էլեկտրաբացասական են, քան հենց H-ը։ Այսպիսով՝ եթե H-ի ատոմը և իր էլեկտրոնը միանան մոլեկուլին, հավանականություն կա, որ այն, ինչը միացել է նոր H-ին, խլելու է էլեկտրոնն ու վերականգնվելու է։
  • O-ն ավելի էլեկտրաբացասական է, քան հայտնաբերված կենսաբանական մոլեկուլներում տարածված ցանկացած այլ ատոմ։ Եթե թթվածինը միանում է մոլեկուլին, ապա հավանական է, որ այն կօքսիդացնի նրան՝ նրանից էլեկտրոն խլելով։

Որն է օքսիդավերականգնման ռեակցիաների նպատակը

Այժմ, երբ մենք արդեն պատկերացնում ենք, թե ինչ է օքսիդավերականգնման ռեակցիան, ժամանակն է մտածելու ինչու հարցի մասին։ Ինչո՞ւ է բջիջն այդքան տանջվում գլյուկոզից էլեկտրոններ պոկելու, դրանց էլեկտրոնափոխադրիչներով փոխադրելու և էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայով անցկացնելու օքսիդավերականգնման երկար ռեակցիաների համար։
Իհարկե, հիմնականում տրվող պատասխանն է՝ գլյուկոզից էներգիա ստանալու համար։ Ահա գլյուկոզի ճեղքման ռեակցիան, որը տեսար հոդվածի սկզբում․
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686Կկալ/մոլ
Այն ավելի պարզեցված կարելի է գրել այսպես.
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + էներգիա
Ինչպես բացատրվում է բջջային շնչառության մեջ օքսիդավերականգնման ռեակցիաների մասին տեսանյութում, էլեկտրոններն ավելի բարձր էներգիական մակարդակում են, երբ կապված են ավելի քիչ էլեկտրաբացասական ատոմի հետ (ինչպիսիք են, օրինակ, C-ն կամ H-ը), և ավելի ցածր էներգիական մակարդակում են, երբ կապված են ավելի էլեկտրաբացասական ատոմի հետ (ինչպիսին է, օրինակ, O-ն)։ Այսպիսով՝ վերևում նշված այնպիսի ռեակցիայում, ինչպիսին է գլյուկոզի ճեղքումը, ստացվում է էներգիա, քանի որ էլեկտրոնները շարժվում են դեպի ցածր էներգիական մակարդակ՝ ավելի «հարմարավետ» վիճակի, երբ գլյուկոզից անցնում են թթվածնին։
Էներգիան, որն անջատվում է, երբ էլեկտրոնները շարժվում են դեպի ավելի ցածր էներգիական մակարդակով տեղ, կարող է հավաքվել և օգտագործել աշխատանք կատարելու համար։ Բջջային շնչառության ժամանակ էլեկտրոնները էլեկտրոնափոխադրման շղթայով գլյուկոզից աստիճանաբար շարժվում են դեպի թթվածին՝ անցնելով ավելի ու ավելի ցածր էներգիական մակարդակներով և ամեն անցման ժամանակ էներգիա անջատելով։ Բջջային շնչառության նպատակն է ստանալ էներգիա ԱԵՖ-ի տեսքով։
Նկարի աղբյուրը՝ Carbohydrate metabolism: Figure 1, մշակումը՝ ըստ OpenStax College-ի, Anatomy & Physiology, CC BY 3,0
Հաջորդ հոդվածներում և տեսանյութերում մենք կներկայացնենք բջջային շնչառությունը քայլ առ քայլ՝ հետևելով, թե որքան էներգիա է ստացվում ԱԵՖ-ի տեսքով վերօքս ռեակցիաների հետևանքով։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: