Agar siz ushbu xabarni oʻqiyotgan boʻlsangiz, demak, saytimizga tashqi resurslarni yuklashda muammolarga duch kelmoqdamiz.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Asosiy kontent

Hujayraviy nafas olish va oksidlanish-qaytarilish mavzusiga kirish

Hujayraviy nafas olishdagi oksidlanish-qaytarilish bilan tanishish. Substrat darajasi va oksidlovchi fosforillanish. Elektron tashuvchilar.

Kirish

Tasavvur qiling, siz bir hujayrasiz. Sizga katta, suvli glyukoza molekulasi berilgan va siz ushbu glyukoza molekulasidagi baʼzi energiyani metabolik reaksiyalaringizni kuchaytirish uchun ishlata olish holatiga olib kelmoqchisiz. Buni qanday qilib amalga oshirish mumkin? Ushbu glyukoza molekulasidan iloji boricha koʻproq energiya olish va bu energiyani qulay shaklda saqlab turishning eng yaxshi usuli nima?
Yaxshiyamki, bizning va boshqa tirik organizmlarning hujayralari glyukoza va boshqa organik molekulalar, yaʼni yogʻlar va aminokislotalardan energiya olishga yaxshi moslashtirilgan. Biz bu yerda hujayralar qanday qilib quvvatni parchalashi toʻgʻrisida kerakli maʼlumotlarga ega boʻlamiz. Soʻngra biz ushbu jarayon uchun muhim boʻlgan baʼzi elektronlarning oʻtkazish reaksiyalarini (redoks reaksiyalari) batafsil oʻrganib chiqamiz.

Energiyani parchalash yoʻllarining umumiy koʻrinishi

Glyukoza kabi molekulalardan energiya hosil qilish reaksiyalari katabolik reaksiyalar deb ataladi. Misol uchun, glyukoza kislorod borligida parchalansa, 6 ta karbonat angidrid molekulasi va 6 ta suv molekulasiga aylanadi. Ushbu jarayon uchun umumiy reaksiya quyidagicha aks ettiriladi:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686kkal/mol
Hujayrada bu umumiy reaksiyalar koʻplab kichik bosqichlarga boʻlinadi. Glyukoza bilan bogʻliq energiya kichik portlashlar orqali ajralib chiqadi va uning bir qismi adenozin trifosfat (ATF) shaklida hujayradagi reaksiyalarni kuchaytiruvchi kichik molekulalarga boʻlinadi. Glyukozadan olingan energiyaning koʻp qismi issiqlik sifatida tarqaladi, biroq u hujayra metabolizmini ushlab turish uchun yetarli hisoblanadi.
_Rasm manbasi: “ATF: adenozin trifosfat: 1-rasm”, OpenStax College, Biology, CC BY 4.0._
Glyukoza molekulasi asta-sekin parchalanar ekan, baʼzi parchalanish bosqichlari toʻgʻridan toʻgʻri ATF sifatida ushlanib qoladigan energiyani hosil qiladi. Ushbu bosqichlarda fosfat guruhi oraliqlaridan ADFga oʻtadi, bu jarayon substrat darajasidagi fosforillanish deb ataladi.
Biroq koʻp bosqichlar ATFni bilvosita ishlab chiqaradi. Ushbu bosqichlarda glyukoza elektronlari "elektron tashuvchisi" deb nomlanadigan kichik molekulalarga oʻtkaziladi. Elektron tashuvchilar elektronlarni "zanjir" deb ataluvchi mitoxondriyaning ichki membranalaridagi oqsillar guruhiga olib boradi. Elektronlar "elektron harakatlanish zanjiri" orqali harakatlanar ekan, ular yuqoridan pastroq energiya darajasiga oʻtadi va oxir-oqibat kislorodga (suv hosil qiluvchi) oʻtkaziladi.
Elektron, elektron harakatlanish zanjiridan oʻtib ketganda, u chiqaradigan energiya elektrokimyoviy gradiyentlarni hosil qilib, mitoxondriya matritsasidan protonlarni (H+) haydash uchun ishlatiladi. H+ gradiyentidan pastga tushganda ular "ATF sintezi" deb ataladigan ferment orqli oʻtadilar. Ushbu jarayon oksidlovchi fosforillanish deb nomlanadi. Quyidagi diagrammada oksidlovchi va substrat darajasidagi fosforillanishning misollari keltirilgan:
_Manba: “Etc4”ga tegishli grafik material Fvasconcellos tomonidan oʻzgartirilgan (public domain)._
Glyukoza kabi organik yonilgʻilar elektron harakatlanish zanjiri yordamida parchalanganda, parchalanish jarayoni hujayra nafas olishi deb nomlanadi.

Elektron tashuvchilar

Elektron tashuvchilar (yoki elektron shatllar deb ataladi) – bu hujayra nafas olishida muhim oʻrin egallaydigan kichik organik molekulalardir. Ularning nomlari aynan bajaradigan faoliyatlariga juda ham mos boʻlib, ular bitta molekuladan elektronlar olib boshqalari bilan birgalikda tashiydilar. Yuqoridagi diagrammada glyukoza parchalanish reaksiyasidan elektron tashuvchilarni koʻrishingiz mumkin.
Hujayra nafas olishida, ayniqsa, muhim boʻlgan ikkita elektron tashuvchisi mavjud: NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid, quyida koʻrsatilgan) va FAD (flavin adenin dinukleotid).
_"Rasm"Tirik sistemalardagi energiya: 1 surat", OpenStax kolleji, Biologiya tomonidan (CC BY 3.0)._
NAD+ va FAD elektronlarni yigʻishda bir yoki bir nechta vodorod atomiga ega boʻlishadi va ular biroz boshqacha shaklga kirishadi:
NAD+ + 2e + 2H+ NADH +  H+
FAD + 2e + 2 H+ FADH2
Shuningdek, elektronlarni tashib boʻlgach, ular asl holatlariga qaytadilar:
NADH NAD+ + 2e + H+
FADH2 FAD + 2e + 2 H+
NAD+ va FAD elektronlarni koʻpaytirish yoki yoʻqotish reaksiyalari, redoks reaksiyalari deb ataladigan reaksiyalar sinfiga misol boʻla oladi. Keling, bu reaksiyalar nima ekanini va ularning hujayra nafas olishida juda muhim ekanini koʻrib chiqaylik.

Redoks reaksiyalari nima?

Hujayraviy nafas olish jarayoni koʻplab reaksiyalarni oʻz ichiga oladi, ularda elektron bir molekuladan boshqasiga oʻtadi. Elektron uzatish bilan bogʻliq boʻlgan reaksiyalar oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari (yoki redoks reaksiyalari) deb nomlanadi.
Siz kimyoda redoks reaksiyasi bitta molekula elektronni yoʻqotib, oksidlanishini, boshqa molekula esa elektronni (birinchi molekulada yoʻqolgan) u kamayganida koʻpaytirishini bilib oldingiz. Qoʻlda ushbu jarayon quyidagicha aks ettiriladi: "Oksidlanish-qaytarilish": Elektronlarni Yoʻqotish, Oksidlash Elektronlar Yoʻqotilganda Koʻpaytirish
Magniy xloridning paydo boʻlishi yuqorida keltirilgan taʼrifimizga yaxshi misol boʻla oladi:
Mg+Cl2Mg2++2Cl
Ushbu reaksiyada magniy atomi ikkita elektronni yoʻqotadi, shuning uchun u oksidlanadi. Ikkita elektron esa xlor tomonidan qabul qilinadi va qaytariladi.
Biroq Salning Biologiyada oksidlanish va qaytarilish haqidagi videosida koʻrsatilganidek, elektronlarni koʻpaytirish va yoʻqotish deganda redoks reaksiyasi orqali molekulalarda nima sodir boʻlishiga alohida ahamiyat qaratishimiz kerak. Chunki reaksiya jarayonida molekula hamma elektronlardan koʻra ularning bittasini tutib qolishi yoki barchasini yoʻqotmaslik uchun ularning hammasini tutib qolishi mumkin.
Bu nimani anglatadi? Tasavvur qilish uchun Salning videosidagi misoldan foydalanaylik:
2H2 + O2 2H2O + heat
Bu reaksiya aniq elektron oʻtkazish amaliyotini amalga oshirmaydi, ammo redoks reaksiyasiga misol boʻla oladi. Buning sababi,  vodorodH va  kislorodO atomlarining elektron zichligi, reaktivlarga qaraganda farq qiladi.
Shuning uchun ham uni atomlarning xususiyatlaridan foydalanib buzib tashlaymiz. H atomlari bir-birlariga H2 da bogʻlanganida ular elektronlarni teng ravishda taqsimlaydilar va bu yerda elektron uchun raqobatda ikki taraf ham teng foydalanadi. O bir-biriga bogʻlangan O2 atomlari uchun ham xuddi shunday. Biroq baʼzi moddalarda bu holat ancha farq qiladi: H2O. Kislorod vodorodga qaraganda ancha elektronga boy, shuning uchun ham suv molekulasidagi OH bogʻlanishida elektronlar O atomiga tegib ketadi va H ga qaraganda unga koʻproq vaqt sarflanadi.
Yuqorida sodir boʻlgan reaksiyada elektron toʻliq olinmagan yoki yoʻqotilgan boʻlsa ham:
  • O da reaksiyadan oldingiga nisbatan koʻproq elektron mavjud (qaytarilish) va
  • H da esa elektron nisbatan kamroq (oksidlanish).
Shu tarzda kimyoviy taʼsirlar paydo boʻladi, reaksiya paytida elektronni siqib qoʻyishda bu oʻzgarish aniq O va H atomlari oksidlanish holatining oʻzgarishi sifatida tasvirlanishi mumkin. Oksidlanish holatini qanday qoʻllash mumkinligini bilish uchun Sal videosini koʻrib chiqing .

H va O atomlarini olish va yoʻqotish qanday amalga oshiriladi?

Oksidlanish va qaytarilish reaksiyalari, asosan, elektronlarning oʻtkazilishi yoki ushlashi haqida. Ammo biologik nuqtayi nazardan, biz elektronlarning qayerga ketishini aniqlash uchun tez-tez foydalanadigan juda oddiy uslub bor. Ushbu uslub bizga H va O atomlari elektronlarni uzatish uchun vosita sifatida foydalanishga imkon beradi.
Umumiy holatda:
  • Agar uglerod oʻz ichiga olgan molekula H atomiga ega boʻlsa yoki reaksiya paytida O atomini yoʻqotsa, u kamayishi mumkin (elektron yoki elektron zichligi).
  • Boshqa tomondan, agar uglerod oʻz ichiga olgan molekula H atomlarini yoʻqotsa yoki O atomiga ega boʻlsa, ehtimol, u oksidlanishi mumkin (yoʻqolgan elektron yoki elektron zichligi).
Misol uchun, glyukozani parchalash reaksiyasiga qaytaylik:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
Glyukozada uglerod H atomlari bilan bogʻliq, karbonat angidridda esa Hs bilan bogʻliq emas. Shu orqali biz bu reaksiyada glyukoza oksidlanishini taxmin qilishimiz mumkin. Xuddi shunday holat O atomlarining O2 reaksiyasidan keyin Hs bilan bogʻliq boʻladi, shuning uchun biz kislorod kamayishini taxmin qilishimiz mumkin [Sal oʻz videosida bu holatni elektronlarning koʻchib oʻtishi nuqtayi nazaridan tasdiqlaydi hujayra nafas olishida redoks reaksiyalari].
Nega bu usul samarali ishlaydi? Sal videosidan ushbu savol haqida fikrlab koʻrishingiz mumkin biologiyada oksidlanish va qaytarilish reaksiyalari:
  • H atomlari odatda C, O, N, va P, kabi noorganik molekulalar bilan bogʻlangan boʻladi va H ga qaraganda koʻproq elektromanfiy hisoblanadi. Shunday qilib, agar H atomi va uning elektroni molekulaga qoʻshilsa, yangi H modda elektronni egallab oladi va qaytariladi.
  • O boshqa asosiy biologik molekulalarda uchraydigan atomlardan farqli oʻlaroq, elektromanfiy hisoblanadi. Agar u molekulaga qoʻshilsa, ehtimol, elektron zichligini unga biriktirilgan narsadan tortib olib, oksidlaydi.

Ushbu oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining asosiy sababi nima?

Shunday qilib, biz redoks reaksiyasi nima ekani haqida tasavvurga ega boʻldik. Keling, endi bir fikr yuritib koʻraylik, nega bunday hodisa roʻy beradi? Nega hujayra elektronlarni glyukozadan ajratib olib, ularni elektron tashuvchilarga oʻtkazadi va hujayra boʻylab harakatlanish zanjirini redoks reaksiyalaridan oʻtkazish muammosiga duch keladi?
Buning javobi: glyukoza molekulasidan energiya olish! Quyida biz maqolaning avvalida bergan glyukozaning parchalanish reaksiyasi berilgan:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686kcal/mol
Ushbu reaksiyani biz yanada aniqroq tarzda yozishimiz mumkin:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energiya!
Sal oʻzining videosida hujayra nafas olishida redoks reaksiyalar, elektronlar kam elektromanfiy atomlar (masalan C yoki H) bilan bogʻlansa baland elektr kuchlanishda va koʻp elektromanfiy atomlar bilan bogʻlansa (masalan, O), past elektr kuchlanishda boʻladi. Shunday qilib, yuqoridagi glyukozaning parchalanishi kabi reaksiyada elektronlar glyukozadan kislorodga oʻtish jarayonida pastroq energiyaga, "qulay" holatga oʻtishi sababli energiya chiqariladi.
Elektronlar kamroq energiya holatiga oʻtganda chiqariladigan energiya ushlanib, ishlash uchun ishlatilishi mumkin. Hujayra nafas olishida glyukoza elektronlari asta-sekin elektron harakatlanish zanjiri orqali kislorod tomon siljiydi, past va pastki energiya holatlariga oʻtadi hamda har bir bosqichda energiya chiqaradi. Hujayra nafas olishining maqsadi –bu energiyani ATF shaklida olishdir.
Rasm Uglevod almashinuvi: 1-rasm OpenStax kolleji, Anatomiya va Fiziologiya boʻlimi tomonidan oʻzgartirilgan. CC BY 3.0
Keyingi maqola va videolarda biz hujayra nafas olishini bosqichma-bosqich koʻrib chiqamiz va redoks oʻtkazmalarida chiqariladigan energiya ATF sifatida qanday tutilishi bilan tanishamiz.