Metabolizma, mevcut koşullardan çok farklı koşullar altında gelişmiştir. Ana fark, eski atmosferde oksijenli solunumu imkansız kılan oksijen eksikliği ve evrimleşmiş olması gereken fotosentezin olmamasıdır. Bugün hala bataklıklarda, volkanik göletlerde ve okyanus tabanında yaşayan türler, ilk metabolik adaptasyonların evrimleşme şekli ve modern kimyasal yolların evrimi hakkında paha biçilmez bilgiler sağlıyor. Dünyanın başlangıcında, canlılar ortaya çıkmadan önce sınırlı miktarda enerji bakımından zengin organik moleküller oluşmuştu. Bu enerji kaynaklarını metabolize edebilen ilk canlılar 3,5 milyar yıl önce ortaya çıktı. Ancak doğal seçilim, kendi besinini sentezleyebilen organizmaların lehine işlemiştir. Ortaya çıkan bu organizmaların ikinci grubu, moleküler hidrojenin kovalent bağlarının enerjisini büyük ölçüde organik bileşiklerin yapımında kullandı.
Enerjisini bu şekilde inorganik enerji kaynaklarından elde eden organizmalara kemosentetik organizmalar denir. İlk kemosentetiklerden bazıları, bir yoğuşma reaksiyonu yoluyla metan ve su oluşturmak için doğal olarak oluşan karbondioksiti enerji açısından zengin H2 ile birleştirdi. Bazı ara adımlardan oluşan bu reaksiyon aşağıdaki denklemde gösterilmiştir.
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H20 + Enerji
Karbonun ve (özellikle) oksijenin enerji bakımından zengin elektronlarının elektroreseptör görevi gördüğü bu etkileşimin bir sonucu olarak, H2 bağlarında depolanan enerjinin bir kısmı serbest bırakılır ve hücrede iş yapmak için kullanılabilir. Enerji salan başka bir reaksiyonda, H2’de enerji salan bir alıcı olarak kükürt kullanılır; Aslında, günümüz bakterilerinin çoğu, lağımlarda ve bataklıklarda bulunan kükürt açısından zengin atıklarda da yaşıyor. Kötü kokulu hidrojen sülfit (H2S) gazı üretir.
H2 + S -> H2S + Enerji
Daha sonra kullanmak üzere enerji depolama yeteneği azalmış olan ilk organizmalar, tabiri caizse, yiyeceğin bulunduğu her yerde yaşamak zorundaydılar. Kemosentez yapan organizmalarda daha karmaşık organik moleküllerin sentezini yönlendiren enzim yollarının gelişmesi sonucunda enerji birikimi mümkün hale geldi. Glikoz veya glikoza dönüştürülebilen şekerler muhtemelen ana depolama maddesidir. Gerektiğinde, glikozdaki enerjinin bir kısmı, glikoliz veya glikolitik yol adı verilen bir dizi enzime yönelik reaksiyon yoluyla günümüzün enerjisi biçiminde geri kazanılabilir.
Yaklaşık 3 milyar yıl önce, çok önemli bir biyokimyasal olay meydana geldi: bazı organizmalar, güneş enerjisini doğrudan yakalamak ve onu glikoz ve diğer önemli bileşikleri sentezlemek için kullanmak gibi ilkel bir yetenek kazandılar. Ardından, yaklaşık 2,5 milyar yıl önce, oksijenli solunum yapan organizmaların ataları evrimleşti.
İlk aşama olarak glikoliz içeren bu yol, glikolizin son ürünlerinden büyük miktarda enerji üretse de, bu yolun gerçekten verimli olması için moleküler oksijen (02) gereklidir. Moleküler oksijen başlangıçta kıt olduğu için, daha az elektron ve daha az negatif alıcının (kükürt, nitrojen, karbon) önce boğulması gerektiğinden, potansiyel enerjinin çoğu hücre depolama bileşiklerinin kimyasal bağlarında boşa gitti. Ancak ilk fotosentetik organizmaların bireyleri, fotosentezin daha gelişmiş bir formunun yan ürünü olarak oksijen üretmeye başlayınca, oksijen giderek artarak yaklaşık 2,3 milyar yıl önce atmosferde birikmeye başladı. Oksijen (atmosferik ozon veya O3 formundaki oksijen) güneşten gelen biyolojik olarak zararlı X-ışınlarını ve ultraviyole ışığı filtrelediğinden, organizmalar artık kara ve su tarafından sağlanan radyasyon kalkanının altından çıkarak Dünya yüzeyini kolonize edebilirler. Oksijen bolluğu ayrıca aerobik solunumu baskın katabolik yol haline getirdi: aerobik solunum, glikozda depolanan enerjiyi geri kazanmada glikozitlerden yaklaşık 20 kat daha etkilidir.
İçindekiler
Oksijenin enerji dönüşümündeki rolü
Yaşam, elektronların verimli yönetimine bağlıdır. Elektronlar nispeten büyük potansiyel enerjili bir durumdan daha düşük potansiyel enerjili bir duruma geçerken, her hücre çok özel enzimler yardımıyla enerjisini kazanır. Biyokimyasal yollarda, bir elektronun potansiyel enerjisi iki şekilde kazanılabilir. Fotosentezde, bir foton bir atomdaki bir elektronu daha yüksek bir enerji seviyesine yükseltebilir. Örneğin, L’den M’ye çıkarırsınız. Bu ek potansiyel enerji daha sonra yakalanıp kullanılabilir. Bununla birlikte, biyolojik reaksiyonlar genellikle bir atomun en dış yörüngesindeki bir elektron ile diğer atomdaki daha düşük bir potansiyel enerjiye sahip bir delik arasındaki potansiyel enerji farkını kullanır. Atomlar arasında bir elektron yer değiştirdiğinde enerji açığa çıkar.
Bu hareketin farklı elektron seviyeleri arasında olması gerekmez; Bunun yerine, bir elektronun birinden diğerine hareketi oldukça enerjiktir (iyonize reaktanlar ve ürünler oluşturur), örneğin, karbonun L seviyesinin enerjisi oksijenin L seviyesinden çok daha yüksektir. Aynısı, bir molekülün kovalent bağlarındaki elektronlar için de geçerlidir: örneğin, bir CH bağında paylaşılan elektronlar, bir OH bağındakilerden molekül başına 11 kcal daha fazla potansiyel enerjiye sahiptir. Kovalent olarak bağlı bir molekül veya iki farklı molekül arasında hidrojeni karbondan oksijene geçirerek büyük miktarda enerji açığa çıkar.
Canlı organizmalarda yaygın olarak bulunan elementler arasında oksijen en elektronegatiftir. Bu nedenle, oksijene aktarılan elektronlar, diğer tüm elementlerden daha fazla enerji açığa çıkarır. Ancak yaşamın evriminin ilk aşamalarında serbest oksijen az olduğundan, elektronların genellikle daha az elektronegatif olan alıcılara aktarılması gerekiyordu. Daha büyük bir molekülün parçası olan oksijen kullanıldığında bile sonuç ideal değildir: Elektronların yer değiştirmesi net bir enerji çıkışı üretebilse de, enerjinin yalnızca yaklaşık yüzde 25’i doğrudan bir OH- oluşumu yoluyla salınır. serbest radikallerden bağ. . oksijen. Sübstitüe edilmiş elektron alıcısı olarak kükürt kullanarak bir OH bağı yerine bir SH bağı yapmak da ekzotermiktir; Ancak elektronun potansiyel enerjisinin yüzde 30’undan azı bu süreçte üretilir. Bazı bakteriler hala elektron alıcısı olarak kükürt, nitrojen ve hatta karbon kullanıyor.
Biyolojik enerji akışının özeti
Günümüzde yaşam için gerekli olan enerjinin neredeyse tamamı güneşten sağlanmaktadır. Güneşte, hidrojen helyuma dönüşür ve ışık üretir. Yeşil bitkiler önce güneş ışığının radyan enerjisini fotosentez süreciyle glikozdaki kimyasal enerjiye dönüştürür. Çoğu organizmada, hücreler enerjiye ihtiyaç duyduğunda glikoz parçalanır ve bu molekülün kimyasal enerjisinin bir kısmı aerobik solunum süreci yoluyla geri kazanılır; Ortaya çıkan ürün (ATP), sinir iletimi, aktif iletim ve diğer işlevler için daha yönetilebilir bir biçimde enerji sağlar. Oksijenli solunumda fotosentezin yan ürünü olan oksijen, fotosentezde solunumun yan ürünü olan karbondioksit ve su kullanılır. Bu dönüşümlerin her birinde, enerjinin çoğu ısı olarak kaybolur.
kaynak:
Khan Akademisi
yazar: bronzlaştırıcı tonik
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]