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Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_12 - Biologie

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Lernziele im Zusammenhang mit Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_12

  • Definieren Sie eine Redoxreaktion und identifizieren Sie häufige biologische Redoxreaktionen.
  • Gegeben ein RedoxReaktion, das Reduktionsmittel identifizieren,oxidierendAgent,Moleküldas oxidiert wird, und die reduzierten Spezies. Identifizieren Sie, welche Spezies das Elektron(s) „beginnt“in,und zu welcher Spezies es „geht“.
  • Schreiben Sie eine zusammengesetzte chemische Gleichung, wenn zwei Redox-Halbreaktionen gegeben sind.
  • Berechne das E0Für eingegebenRedoxreaktion mit der Gleichung 0 = E0(Oxidationsmittel) -(Reduktionsmittel)
  • Sagen Sie voraus, ob ein gerichteter Elektronentransfer zwischen zwei chemischen Spezies endergonisch oder exergonisch ist, indem Sie das Konzept des Redoxpotentials auf . anwendenbereitgestelltDaten.
  • Beziehe die Differenz der Redoxpotentiale qualitativ mit einem entsprechenden Delta der Gibbs-Enthalpie in Beziehung.
  • Definieren Sie jede Variable und ihre Rolle in der Gleichung: G0= -nFΔE0.
  • Konvertieren zwischen G0 und 0Für eingegebenRedoxreaktion mit der Gleichung G0’ = -nF0
  • Erzählen Sie eine Energiegeschichte für eine Redoxreaktion, dienutztder Elektronenträger NAD+/NADH als zweites Substrat im einfachen, generischenReaktionplanen:AH + NAD+ -> A+ + NADH.
  • Identifizieren Sie NAD+ aus seiner molekularen Struktur und identifizieren die funktionelle Gruppe, die an seiner Funktion als Oxidations- oder Reduktionsmittel beteiligt ist.

Stoffwechsel in der allgemeinen Biologie

Der Zellstoffwechsel macht etwa 1/3 des Lehrplans der Allgemeinen Biologie aus. Sie lernen gängige chemische Reaktionen kennen, diesind verbundenmit der Transformation der molekularen Bausteine ​​des Lebens und über verschiedene Kernmodi der Energieübertragung, die man in der Biologie oft antrifft. Die zuvor eingeführten Rubriken Energiegeschichte und Designherausforderungen werden in den nächsten Modulen und darüber hinaus immer wichtiger.

Was haben wir gelernt? Wie wird es mit dem Stoffwechsel zusammenhängen?

  1. Wir haben uns auf die Identifizierung und chemischen Eigenschaften gängiger biologischer funktioneller Gruppen konzentriert. Während wir in den Stoffwechsel eintauchen, wird Ihnen dies helfen, die chemische Natur/Reaktivität von Verbindungen, die Sie noch nie zuvor gesehen haben, zu kennen und manchmal sogar vorherzusagen.
  2. Wir haben geübt, Moleküle zu erkennen und in vier funktionelle Hauptgruppen zu klassifizieren. Dies wird Ihnen bei der Erörterung des Aufbaus und Abbaus dieser Moleküle helfen.
  3. Wir haben einige grundlegende Thermodynamik gelernt. Dies gibt uns einen gemeinsamen Satz von Konzepten, mit denen wir diskutieren können, ob eine biochemische Reaktion oder ein biochemischer Prozess wahrscheinlich abläuft, und wenn ja, in welche Richtung und wie schnell. Dies wird entscheidend sein, da wir einige Schlüsselreaktionen betrachten, die im Stoffwechsel stattfinden.
  4. Wir haben die Rubrik Energiegeschichte gelernt und geübt. Dies wird es uns ermöglichen, neue biochemische Reaktionen zu untersuchen und sie mit einer gemeinsamen, konsistenten Sprache und Herangehensweise zu diskutierenwelcherverstärkt auch die Lektionen, die wir über Thermodynamik gelernt haben.

Ein Überblick über diesen Abschnitt

  • Wir werden ein wichtiges Konzept namens . vorstellen die ErmäßigungPotenzial unddu wirst geschenktdie Möglichkeit, einen Redoxturm zu nutzen. In Ihrem Diskussionshandbuch finden Sie auch eine Diskussion zur Redoxchemie. Verwenden Sie beide Ressourcen.
  • Wir werden zwei Hauptakteure im Stoffwechsel vorstellen, ATP und NADH. Wir erwarten, dass Sie ihre Strukturen erkennen, wenn Sie sie in einer Prüfung zeigen.
  • Wir werden den Stoffwechselweg Glykolyse behandeln. Denken Sie daran, dass wir möchten, dass Sie sich jede Reaktion ansehen und uns eine Energiegeschichte dieser Reaktion erzählen. Sie sollten nicht versuchen, sich diese Pfade zu merken (obwohl es hilfreich ist, sich an einige große Dinge zu erinnern - wir werden diese betonen). Oftmals geben wir Ihnen den Weg als Zahl bei den Prüfungen an. Die Glykolyse produziert 2 ATP über einen Prozess namens Phosphorylierung auf Substratebene, 2 NADH und 2 Pyruvatverbindungen.
  • Wir werden die Reaktionen des TCA-Zyklus verwenden, um mehrere Beispiele für Energiegeschichten zu erstellen. Der TCA-Zyklus produziert auch mehr ATP, NADH und oxidiert Glukose zu CO2.
  • Wir werden uns einen alternativen Weg zum TCA-Zyklus ansehen, die Fermentation. Hier sehen wir zum ersten Mal NADH als Reaktionspartner in einer Stoffwechselreaktion.
  • Wir werden NADH bis zum Ende seiner Reise begleiten, während es seine Elektronen an die Elektronentransportkette (ETC) abgibt. In diesem Modul müssen Sie einen Redox-Tower verwenden. Der ETC erzeugt einen Protonengradienten. Kein ATPwird direkt generiertin diesem Prozess. Der Protonengradientwird dann verwendetdurch die Zelle, um ein Enzym namens ATP-Synthase zu aktivieren, daskatalysiertdie Reaktion ADP + Pi --> ATP. Diese Methode der ATP-Produktion (als oxidative Phosphorylierung bezeichnet) führt dazu, dass mehr ATP produziert wird als durch Phosphorylierung auf Substratebene.
  • Und schließlich werden wir den Prozess der Photosynthese durchgehen.

Reduktions-Oxidations-Reaktionen

In dieser Klasse sind die meisten Oxidations-/Reduktionsreaktionen die wir diskutieren, treten in Stoffwechselwegen (verbundene Sätze von Stoffwechselreaktionen) auf, in denen Verbindungen von der Zelle aufgenommen werdensind kaputtin kleinere Teile zerlegt und dann wieder zu größeren Makromolekülen zusammengesetzt.

Beginnen wir mit einigen allgemeinen Reaktionen

Die Übertragung von Elektronen zwischen zwei Verbindungen führt dazu, dass eine dieser Verbindungen ein Elektron verliert und eine Verbindung ein Elektron hinzugewinnt. Sehen Sie sich zum Beispiel die Abbildung unten an. Wenn wir die Energiegeschichte-Rubrik verwenden, um die Gesamtreaktion zu betrachten, können wir die Vorher- und Nachher-Eigenschaften der Reaktanten und Produkte vergleichen. Was passiert mit der Materie (Zeug) vor und nach der Reaktion? VerbindungA beginntals neutral und wird positiv geladen. Verbindung B beginnt als neutral und wird negativ geladen. Weil Elektronensind negativ geladen, können wir die Bewegung der Elektronen von Verbindung A nach B verfolgen, indem wir die Ladungsänderung betrachten.Ein verliertein Elektron (das positiv geladen wird), und wir sagen, dass A oxidiert wurde. Oxidationist assoziiertmit dem Verlust vonElektron(S). B gewinnt das Elektron (wird negativ geladen), und wir sagen, dass B reduziert wurde. Die Ermäßigungist assoziiertmit dem Zugewinn von Elektronen. Wir wissen auch, da ist etwas passiert, das Energie haben mussübertragen wordenund/oder in diesem Prozess neu organisiert und wir werden dies in Kürze prüfen.

Abbildung 1. Eine generische Red/Ox-Reaktion. Die volle Reaktion ist A + B geht zu A+ + B-.Die beiden Halbreaktionen sind gezeigtim blauen Kasten. EINist oxidiertdurch die Reaktion undB wird durch die Reaktion reduziert.

Anders ausgedrückt, wenn ein Elektron(S)ist verloren, oderein Molekül istoxidiert, das Elektron(s) muss dannbestandenzu einem anderen Molekül. Wir sagen, dass das Molekül, das das Elektron aufnimmt, zu reduziert. ***Oxidations- und Reduktionsreaktionensindimmer gepaart. Zusammendiese gepaarten Reaktionensind bekanntals ein Oxidations-Reduktions-Reaktion (auch Red/Ox-Reaktion genannt).****

In Bis2A erwarten wir, dass Sie sich mit dieser Terminologie vertraut machen. Versuchen Sie, es so schnell wie möglich zu lernen und zu verwenden - wir werden die Begriffe häufig verwenden und haben nicht die Zeit, sie jedes Mal zu definieren.

Denken Sie an die Definitionen:

Die halbe Reaktion

Um unser gemeinsames Verständnis von Red/Ox-Reaktionen zu formalisieren, führen wir das Konzept der Halbreaktion ein. Eine vollständige Rot/Ox-Reaktion erfordert zwei Halbreaktionen. Wir können uns jede Halbreaktion als eine Beschreibung dessen vorstellen, was mit einem der beiden Moleküle passiert, die an der vollständigen Rot/Ochsen-Reaktion beteiligt sind. Wir veranschaulichen dies im Folgenden. In diesem Beispiel wird Verbindung AH durch Verbindung B . oxidiert+; Elektronen bewegen sich von AH nach B+ A . erzeugen+ und BH. Jede Reaktion kann man sich als zwei Halbreaktionen vorstellen: wobei AH oxidiert wird und eine zweite Reaktion, bei der B+ wird auf BH reduziert. Diese beiden Reaktionen werden berücksichtigt gekoppelt, ein Begriff, der anzeigt, dass diese beiden Reaktionen gleichzeitig ablaufen.

Figur 2. Generische Red/Ox-Reaktion, bei der Verbindung AH durch Verbindung B . oxidiert wird+. Jede Halbreaktion stellt eine einzelne Spezies oder Verbindung dar, die entweder Elektronen verliert oder gewinnt (und ein nachfolgendes Proton, wie in der Abbildung oben gezeigt). In der Halbreaktion #1 verliert AH ein Proton und 2 Elektronen: in der zweiten Halbreaktion B+ erhält 2 Elektronen und ein Proton. In diesem Beispiel wird HA zu A . oxidiert+ während B+ wird auf BH reduziert.

Reduktionspotenzial

Konventionell analysieren und beschreiben wir Red/Ox-Reaktionen in Bezug auf Reduktionspotenziale, ein Begriff, der quantitativ die „Fähigkeit“ einer Verbindung beschreibt, Elektronen aufzunehmen. Dieser Wert des Reduktionspotentials wird experimentell bestimmt, aber für die Zwecke dieses Kurses gehen wir davon aus, dass der Leser akzeptiert, dass die angegebenen Werte einigermaßen korrekt sind. Wir können das Reduktionspotential anthropomorphisieren, indem wir sagen, dass es mit der Stärke zusammenhängt, mit der eine Verbindung Elektronen „anziehen“ oder „ziehen“ oder „einfangen“ kann. Es überrascht nicht, dass dies mit der Elektronegativität verwandt, aber nicht identisch ist.

Was ist diese intrinsische Eigenschaft, Elektronen anzuziehen?

Verschiedene Verbindungen, basierend auf ihrer Struktur und atomaren Zusammensetzung, haben intrinsische und unterschiedliche Anziehungskräfte für Elektronen. Diese Qualität wird als bezeichnet Reduktionspotential oder E0’und ist eine relative Größe (relativ zu einigen „Standard" Reaktion). Wenn eine Testverbindung eine stärkere "Anziehung" auf Elektronen hat als der Standard (wenn die beiden konkurrieren würden, würde die Testverbindung Elektronen von der Standardverbindung "nehmen"), sagen wir, dass die Testverbindung ein positives Reduktionspotential hat, dessen Größe proportional ist um wie viel mehr es Elektronen "will" als die Standardverbindung. Die relative Stärke der Verbindung im Vergleich zum Standard wird gemessen und in Einheiten von . angegeben Volt (V)(manchmal als Elektronenvolt oder eV geschrieben) oder Millivolt (mV). Die Referenzverbindung in den meisten Red/Ox-Türmen ist H2.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

Umformulieren Sie für sich selbst: Wie beschreiben oder denken Sie über den Unterschied zwischen dem Konzept der Elektronegativität und dem Red/Ox-Potential?


Der Rot/Ochsen-Turm

Alle Arten von Verbindungen können an Red/Ox-Reaktionen teilnehmen. Wissenschaftler haben ein grafisches Werkzeug entwickelt, um Red/Ox-Halbreaktionen basierend auf ihrem E . tabellarisch darzustellen0' -Werte und helfen uns, die Richtung des Elektronenflusses zwischen potentiellen Elektronendonoren und -akzeptoren vorherzusagen. Ob eine bestimmte Verbindung als Elektronendonor (Reduktionsmittel) oder Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) fungieren kann, hängt entscheidend davon ab, mit welcher anderen Verbindung sie wechselwirkt. Der Elektronenturm ordnet normalerweise eine Vielzahl von gemeinsamen Verbindungen (ihre Halbreaktionen) von den meisten negativen E0', Verbindungen, die leicht Elektronen loswerden, zum positivsten E0', Verbindungen am ehesten Elektronen aufnehmen. Außerdem wird jede Halbreaktion per Konvention mit der oxidierten Form links/gefolgt von der reduzierten Form rechts vom Schrägstrich geschrieben.
Wir schreiben zum Beispiel die Halbreaktion für die Reduktion von NAD+ zu NADH:
NAD+/NADH. Der Turm unten listet auch die Anzahl der Elektronen auf, die bei jeder Reaktion übertragen werden. Zum Beispiel die Reduzierung von NAD+ zu NADH beinhaltet zwei Elektronen, in der Tabelle als 2e . geschrieben-.

Ein biochemischer Elektronenturm ist unten gezeigt.

oxidierte Form

reduzierte Form

n (Elektronen)

Eo´ (Volt)

PS1* (ox)

PS1* (rot)

-

-1.20

Acetat + CO2

Pyruvat

2

-0.7

Ferredoxin (Ochse) Version 1

Ferredoxin (rot) Version 1

1

-0.7

Succinat + CO2 + 2H+

a-Ketoglutarat + H2Ö

2

-0.67

PSII* (ox)

PSII* (rot)

-

-0.67

P840* (ox)

PS840* (rot)

-

-0.67

Acetat

Acetaldehyd

2

-0.6

Glycerat-3-P

Glycerinaldehyd-3-P + H2Ö

2

-0.55

Ö2

Ö2-

1

-0.45

Ferredoxin (Ochse) Version 2

Ferredoxin (rot) Version 2

1

-0.43

CO2

Glucose

24

-0.43

CO2

formatieren

2

-0.42

2H+

h2

2

-0,42 (bei [H+] = 10-7; pH=7)

Hinweis: bei [H+] = 1; pH = 0, Eo' für Wasserstoff ist NULL. Das wirst du im Chemieunterricht sehen.

α-Ketoglutarat + CO2 + 2H+

Isocitrat

2

-0.38

Acetoacetat

b-Hydroxybutyrat

2

-0.35

Cystin

Cystein

2

-0.34

Pyruvat + CO2

Malat

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Komplex I FMN (enzymgebunden)

FMNH2

2

-0.3

Liponsäure, (ox)

Liponsäure, (rot)

2

-0.29

1,3 Bisphosphoglycerat + 2H+

Glycerinaldehyd-3-P + Pich

2

-0.29

Glutathion, (Ochse)

Glutathion, (rot)

2

-0.23

MODE+ (kostenlos) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Acetaldehyd + 2H+

Ethanol

2

-0.2

Pyruvat + 2H+

Laktat

2

-0.19

Oxalacetat + 2H+

Malat

2

-0.17

α-Ketoglutarat + NH4+

Glutamat

2

-0.14

MODE+ + 2H+ (gebunden)

FADH2 (gebunden)

2

0.003-0.09

Methylenblau, (ox)

Methylenblau, (rot)

2

0.01

Fumarat + 2H+

succinat

2

0.03

CoQ (Ubichinon - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Dehydroascorbinsäure

Askorbinsäure

2

0.06

Plastochinon; (Ochse)

Plastochinon; (rot)

-

0.08

Ubichinon; (Ochse)

Ubichinon; (rot)

2

0.1

Komplex III Cytochrom b2; Fe3+

Cytochrom b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Komplex III Cytochrom c1; Fe3+

Cytochrom c1; Fe2+

1

0.22

Cytochrom c; Fe3+

Cytochrom c; Fe2+

1

0.25

Komplex IV Cytochrom a; Fe3+

Cytochrom a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2Ö

h2Ö2

2

0.3

P840GS (Ochse)

PS840GS (rot)

-

0.33

Komplex IV Cytochrom a3; Fe3+

Cytochrom a3; Fe2+

1

0.35

Ferricyanid

Ferrocyanid

2

0.36

Cytochrom f; Fe3+

Cytochrom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (Ochse)

PSIGS (rot)

.

0.37

Nitrat

Nitrit

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

h2Ö

2

0.816

PSIIGS (Ochse)

PSIIGS (rot)

-

1.10

* Erregter Zustand, nachdem ein Lichtphoton absorbiert wurde

GS Grundzustand, Zustand vor der Absorption eines Lichtphotons

PS1: Sauerstoff-Photosystem I

P840: Bakterielles Reaktionszentrum mit Bakteriochlorophyll (ansauerstofffrei)

PSII: Sauerstoff-Photosystem II

Tabelle 1. Gewöhnlicher Red/Ox-Turm, der in Bis2A verwendet wird. Konventionell werden die Turmhälftenreaktionen mit der oxidierten Form der Verbindung links und der reduzierten Form rechts geschrieben. Verbindungen, die gute Elektronendonatoren abgeben, haben stark negative Reduktionspotentiale. Verbindungen wie Glucose und Wasserstoffgas sind ausgezeichnete Elektronendonatoren. Im Gegensatz dazu sind Verbindungen, die ausgezeichnete Elektronenakzeptoren abgeben, wie Sauerstoff und Nitrit, ausgezeichnete Elektronenakzeptoren.

Video zum Elektronenturm

Für ein kurzes Video zur Verwendung des Elektronenturms bei Red/Ox-Problemen klicken Sie hier oder unten. Dieses Video wurde von Dr. Easlon für Bis2A-Studenten erstellt. (Das ist recht informativ.)

Was ist die Beziehung zwischen E0' und G?

Die Frage lautet nun: Woher wissen wir, ob eine gegebene Red/Ox-Reaktion energetisch spontan ist oder nicht (exergonisch oder endergonisch) und unabhängig von der Richtung, wie groß der Unterschied der freien Energie ist? Die Antwort liegt im Unterschied der Reduktionspotentiale der beiden Verbindungen. Die Differenz des Reduktionspotentials für die Reaktion oder E0' für die Reaktion ist die Differenz zwischen den E0' für die Oxidationsmittel (die Verbindung erhält die Elektronen und verursacht die Oxidation der anderen Verbindung) und die Reduktionsmittel (die Verbindung verliert die Elektronen). In unserem allgemeinen Beispiel unten ist AH das Reduktionsmittel und B+ ist das Oxidationsmittel. Elektronen bewegen sich von AH nach B+. Verwenden des E0' von -0,32 für das Reduktionsmittel und +0,82 für das Oxidationsmittel die Gesamtänderung von E0' oder ΔE0' beträgt 1,14 eV.

Figur 3. Generische Red/Ox-Reaktion mit Halbreaktionen geschrieben mit Reduktionspotential (E0') der beiden angegebenen Halbreaktionen.

Die Änderung von ΔE0' korreliert mit Änderungen in Gibbs freie Energie, ΔG. Im Allgemeinen ist ein großes positives ΔE0' ist proportional zu einem großen negativen ΔG. Die Reaktionen sind exergonisch und spontan. Damit eine Reaktion exergonisch ist, muss die Reaktion eine negative Änderung der freien Energie aufweisen oder -ΔG, dies entspricht einem positiven E0'. Mit anderen Worten, wenn Elektronen in einer Red/Ox-Reaktion "bergab" von einer Verbindung mit einem niedrigeren (negativeren) Reduktionspotential zu einer zweiten Verbindung mit einem größeren (positiveren) Reduktionspotential fließen, setzen sie freie Energie frei. Je höher die Spannung, E0', zwischen den beiden Komponenten, desto größer ist die verfügbare Energie, wenn ein Elektronenfluss auftritt. Tatsächlich ist es möglich, die Menge an frei verfügbarer Energie zu quantifizieren. Die Beziehung ist durch die Nernst-Gleichung gegeben:

Figur 4. Die Nernst-Gleichung bezieht die freie Energie einer Rot/Ox-Reaktion auf die Differenz des Reduktionspotentials zwischen den reduzierten Reaktionsprodukten und dem oxidierten Reaktanten.
Namensnennung: Marc T. Facciotti

Woher:

  • n ist die Anzahl der übertragenen Elektronenmole
  • F ist die Faraday-Konstante von 96,485 kJ/V. Manchmal wird sie in der Einheit kcal/V angegeben, was 23,062 kcal/V entspricht. Dies ist die Energiemenge (in kJ oder kcal), die freigesetzt wird, wenn ein Mol Elektronen einen Potentialabfall von 1 Volt durchläuft

Einführung in mobile Energieträger

Abschnittszusammenfassung

Energie bewegt und überträgt sich innerhalb der Zelle auf verschiedene Weise. Ein entscheidender Mechanismus, den die Natur entwickelt hat, ist die Verwendung recycelbarer molekularer Energieträger. Obwohl es mehrere große wiederverwertbare Energieträger gibt, haben sie alle einige gemeinsame Funktionsmerkmale:

Eigenschaften wichtiger zellulärer molekularer Energieträger

  • Wir stellen uns die Energieträger in "Pools" vonerhältlichTräger. Analog könnte man diese mobilen Energieträger analog zu den Lieferfahrzeugen von Paketboten betrachten – das Unternehmen verfügt über einen gewissen „Pool“ anerhältlichFahrzeuge jederzeit abholen und liefern lassen.
  • Jeder einzelne Träger im Pool kann in einem von mehreren unterschiedlichen Zuständen existieren: Es istentwedereine "Last" von Energie trägt, eine Bruchlast trägt oder "leer" ist. Das Molekül kannineinander umwandelnzwischen "beladen" und leer und kann somitrecycelt werden. Auch hier können die Lieferfahrzeuge analog seinentwederPakete tragen oder leer sein und zwischen diesen Zuständen wechseln.
  • Das Gleichgewicht oder Verhältnis im Pool zwischen "beladenen" und "unbeladenen" Trägern ist wichtig für die Zellfunktion, wird von der Zelle reguliert und kann uns oft etwas über den Zustand einer Zelle sagen. Ebenso überwacht ein Paketdienst genau, wie voll oder leer seine Lieferfahrzeuge sind – wenn sie zu voll sind, gibt es möglicherweise nicht genügend "leere" LKWs, um neue Pakete abzuholen; wenn sie zu leer sind, muss das Geschäft nicht gut laufen oder sie schließen es. Für unterschiedliche Situationen gibt es ein angemessenes Gleichgewicht.

In diesem Kurs werden wir zwei Haupttypen von molekularen recycelbaren Energieträgern untersuchen: (1) die Adeninnukleotide: Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+), ein naher Verwandter, Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+), und Flavinadenindinukleotid (FAD2+) und (2) Nukleotidmono-, -di- und -triphosphate, unter besonderer Berücksichtigung von Adenosintriphosphat (ATP). Diese beiden Arten von Molekülen nehmen an einer Vielzahl von Energieübertragungsreaktionen teil. Wir assoziieren Adeninnukleotide hauptsächlich mit der Rot/Ochsen-Chemie und Nukleotidtriphosphate mit Energietransfers, die mit der Hydrolyse oder Kondensation anorganischer Phosphate verbunden sind.

Rot/OchseChemie und Elektronenüberträger

Die Oxidation oder Entfernung eines Elektrons aus einem Molekül (ob mit der Entfernung eines begleitenden Protons verbunden oder nicht) führt zu einer Änderung der freien Energie dieses Moleküls – Materie, innere Energie und Entropie haben sich alle geändert. Ebenso ändert die Reduktion eines Moleküls auch seine freie Energie. Die Größe der Änderung der freien Energie und ihre Richtung (positiv oder negativ) für eine Rot/Ox-Reaktion bestimmt die Spontaneität der Reaktion und wie viel Energie sie überträgt. In biologischen Systemen, in denen ein Großteil der Energieübertragung über Red/Ox-Reaktionen erfolgt, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Reaktionenwerden vermitteltund Ideen oder Hypothesen zu berücksichtigen, warum diese Reaktionenwerden vermitteltmeistens von einer kleinen Familie von Elektronenträgern.

Hinweis: DESIGN-HERAUSFORDERUNG

Das Problem, auf das in der vorherigen Diskussionsfrage angespielt wurde, ist ein großartiger Ort, um die Rubrik der Design-Herausforderungen einzubringen. Wenn Sie sich erinnern, werden Sie im ersten Schritt der Rubrik aufgefordert, ein Problem oder eine Frage zu definieren. Stellen wir uns hier vor, dass es ein Problem zu definieren gibt, für das die unten aufgeführten mobilen Elektronenträger der Natur geholfen haben, es zu lösen.

***Denken Sie daran, dass Evolution KEINE Lösungen für Probleme vorantreibt, aber im Nachhinein können wir unsere Vorstellungskraft und Logik nutzen, um zu folgern, dass das, was wir durch natürliche Selektion erhalten sehen, einen selektiven Vorteil bietet, weil die natürliche Innovation ein Problem "gelöst" hat dieser begrenzte Erfolg.***

Designherausforderung für Red/Ox-Träger

  • Was war ein Problem(s) die die Entwicklung mobiler Elektronenträger zu lösen half?
  • Im nächsten Schritt der Design Challenge werden Sie aufgefordert, Kriterien für erfolgreiche Lösungen zu identifizieren. Was sind Erfolgskriterien für das von Ihnen identifizierte Problem?
  • In Schritt 3 der Design-Challenge werden Sie aufgefordert, Lösungen zu finden. Nun, hier hat die Natur einige für uns identifiziert – wir betrachten drei in der folgenden Lesung. Es sieht so aus, als ob die Natur glücklich ist, mehrere Lösungen für das Problem zu haben.
  • Im vorletzten Schritt der Rubrik „Design Challenge“ werden Sie aufgefordert, die vorgeschlagenen Lösungen anhand der Erfolgskriterien zu testen. Dies sollte Sie zum Nachdenken / Diskutieren anregen, warum es mehrere verschiedene Elektronenträger gibt. Gibt es unterschiedliche Erfolgskriterien? Lösen sie jeweils leicht unterschiedliche Probleme? Was denken Sie? Halten Sie Ausschau, während wir den Stoffwechsel nach Hinweisen durchsuchen.

NAD+/H und FADH/H2

In lebenden Systemen fungiert eine kleine Klasse von Verbindungen als Elektronentransporter: Sie binden und transportieren Elektronen zwischen Verbindungen auf verschiedenen Stoffwechselwegen. Die wichtigsten Elektronenüberträger, die wir betrachten werden, stammen von der B-Vitamingruppe und den Nukleotiden. Diese Verbindungen können in Abhängigkeit vom Reduktionspotential eines potentiellen Elektronendonors oder -akzeptors, zu dem und von dem sie Elektronen übertragen könnten, sowohl reduziert (dh sie nehmen Elektronen aufnehmen) als auch oxidiert (sie verlieren Elektronen) werden. Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) (wir zeigen die Struktur unten) leitet sich von Vitamin B . ab3, Niacin. NAD+ ist die oxidierte Form des Moleküls; NADH ist die reduzierte Form des Moleküls, nachdem es zwei Elektronen und ein Proton aufgenommen hat (die zusammen einem Wasserstoffatom mit einem zusätzlichen Elektron entsprechen).

Wir erwarten, dass Sie die beiden Formen von NAD . auswendig lernen+/NADH, wissen, welche Form oxidiert und welche reduziert wird, und können beide Formen in einer chemischen Reaktion vor Ort erkennen.

NAD+ kann Elektronen von einem organischen Molekül nach der allgemeinen Gleichung aufnehmen:

Hier ist ein Wortschatzüberblick: Wenn Elektronen zu einer Verbindung hinzugefügt werden, sagen wir, dass die Verbindung reduziert. Eine Verbindung, die eine andere reduziert (Elektronen abgibt), heißt a Reduktionsmittel. In der obigen Gleichung ist RH ein Reduktionsmittel und NAD+ wird zu NADH reduziert. Wenn Elektronen eine Verbindung verlassen, wird sie oxidiert. Eine Verbindung, die eine andere oxidiert, heißt an Oxidationsmittel. In der obigen Gleichung ist NAD+ ist ein Oxidationsmittel, und RH wird zu R oxidiert. Anders ausgedrückt wird das Reduktionsmittel oxidiert und das Oxidationsmittel reduziert.

Das musst du runter! Wir werden (a) Ihre Fähigkeit dazu testen (als "einfache" Fragen) und (b) wir werden die Begriffe in der Erwartung verwenden, dass Sie wissen, was sie bedeuten und sie korrekt mit biochemischen Reaktionen in Verbindung bringen können (in Klasse und bei Prüfungen).

Sie werden auch einer zweiten Variation von NAD . begegnen+, NADP+. Es ist strukturell sehr ähnlich zu NAD+, enthält jedoch eine zusätzliche Phosphatgruppe und spielt eine wichtige Rolle bei anabolen Reaktionen wie der Photosynthese. Ein weiterer nukleotidbasierter Elektronenträger, dem Sie in diesem Kurs und darüber hinaus begegnen werden, ist das Flavinadenindinukleotid (FAD+), leitet sich von Vitamin B . ab2, auch Riboflavin genannt. Seine reduzierte Form ist FADH2. Lernen Sie diese Moleküle als Elektronenträger zu erkennen.

Abbildung 1. Die oxidierte Form des Elektronenträgers (NAD+) ist links und die reduzierte Form (NADH) rechts dargestellt. Die stickstoffhaltige Base in NADH hat ein Wasserstoffion mehr und zwei Elektronen mehr als in NAD+.

Die Zelle verwendet NAD+, um Elektronen von Verbindungen "abzuziehen" und sie an andere Stellen innerhalb der Zelle zu "tragen". also nennen wir es ein Elektronenträger. Viele Stoffwechselprozesse, die wir in dieser Klasse besprechen werden, beinhalten NAD(P)+/H-Verbindungen. Zum Beispiel in seiner oxidierten Form NAD+ wird als Reaktant in der Glykolyse und im TCA-Zyklus verwendet, während es in seiner reduzierten Form (NADH) ein Reaktant in Fermentationsreaktionen und Elektronentransportketten (ETC) ist. Wir werden jeden dieser Prozesse in späteren Modulen besprechen.

Energiegeschichte für eine Red/Ox-Reaktion

***Als Faustregel gilt: Wenn wir NAD+/H als Reaktant oder Produkt sehen, wissen wir, dass es sich um eine Red/Ox-Reaktion handelt.***

Wenn NADH ein Produkt ist und NAD+ ein Reaktant ist, wissen wir, dass NAD+ wurde reduziert (Bildung von NADH); daher muss der andere Reaktant der Elektronendonor gewesen sein und oxidiert werden. Das Umgekehrte gilt auch. Wenn NADH zu NAD . geworden ist+, dann muss der andere Reaktant das Elektron von NADH aufgenommen haben und reduziert werden.

Figur 2. Diese Reaktion zeigt die Umwandlung von Pyruvat zu Milchsäure gekoppelt mit der Umwandlung von NADH zu NAD+. Quelle: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

In der obigen Abbildung sehen wir, wie Pyruvat zu Milchsäure wird, gekoppelt mit der Umwandlung von NADH in NAD+. LDH katalysiert diese Reaktion. Mit unserer „Faustregel“ oben kategorisieren wir diese Reaktion als Red/Ox-Reaktion. NADH ist die reduzierte Form des Elektronenträgers und NADH wird in NAD . umgewandelt+. Diese Hälfte der Reaktion führt zur Oxidation des Elektronenträgers. Pyruvat wird bei dieser Reaktion in Milchsäure umgewandelt. Beide Zucker sind negativ geladen, daher wäre es schwierig zu erkennen, welche Verbindung anhand der Ladungen der Verbindungen stärker reduziert wird. Wir wissen jedoch, dass Pyruvat zu Milchsäure reduziert wurde, da diese Umwandlung an die Oxidation von NADH zu NAD . gekoppelt ist+. Aber wie können wir feststellen, dass Milchsäure stärker reduziert ist als Pyruvat? Die Antwort besteht darin, sich die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in beiden Verbindungen anzusehen. Beim Elektronentransfer werden sie oft von einem Wasserstoffatom begleitet. Pyruvat hat insgesamt drei C-H-Bindungen, während Milchsäure vier C-H-Bindungen hat. Wenn wir diese beiden Verbindungen im Vorher- und Nachher-Zustand vergleichen, sehen wir, dass Milchsäure eine weitere C-H-Bindung hat; daher wird Milchsäure stärker reduziert als Pyruvat. Dies gilt für mehrere Verbindungen. In der folgenden Abbildung sollten Sie beispielsweise in der Lage sein, die Verbindungen von den meisten bis zu den am wenigsten reduzierten zu ordnen, wobei Sie die C-H-Bindungen als Richtlinie verwenden.

Figur 3. Oben sind eine Reihe von Verbindungen aufgeführt, die von den meisten zu den am wenigsten reduzierten geordnet oder neu geordnet werden können. Vergleichen Sie die Anzahl der C-H-Bindungen in jeder Verbindung. Kohlendioxid hat keine C-H-Bindungen und ist die am stärksten oxidierte Form von Kohlenstoff, die wir in dieser Klasse besprechen werden. Antwort: Am stärksten reduziert wird Methan (Verbindung 3), dann Methanol (4), Formaldehyd (1), Carbonsäure (2) und schließlich Kohlendioxid (5).

Figur 4. Diese Reaktion zeigt die Umwandlung von G3P, NAD+, und Pich in NADH und 1,3-BPG. Diese Reaktion wird durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert.

Energiegeschichte für die von . katalysierte Reaktion Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase:

Lassen Sie uns eine Energiegeschichte für die obige Reaktion machen.

Lassen Sie uns zunächst die Reaktanten und Produkte charakterisieren. Die Reaktanten sind Glyceraldehyd-3-phosphat (eine Kohlenstoffverbindung), Pich (anorganisches Phosphat) und NAD+. Diese drei Reaktanten treten in eine chemische Reaktion ein, um zwei Produkte herzustellen, NADH und 1,3-Bisphosphoglycerat. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie erkennen, dass das 1,3-BPG zwei Phosphate enthält. Dies ist wichtig, da eine chemische Reaktion zwischen ihrem Anfang und ihrem Ende keine Masse verlieren sollte. In den Reaktionspartnern sind zwei Phosphate enthalten, also müssen in den Produkten zwei Phosphate vorhanden sein (Masseerhaltung!). Sie können die Buchführung der Masse für alle anderen Atome überprüfen. Es sollte auch korrekt tabelliert werden. Ein Enzym namens Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, das diese Reaktion katalysiert. Die Standardänderung der freien Energie dieser Reaktion beträgt ~6,3 kJ/mol, so dass wir unter Standardbedingungen sagen können, dass die freie Energie der Produkte höher ist als die der Reaktanten und dass diese Reaktion unter Standardbedingungen nicht spontan ist.

Was können wir über diese Reaktion sagen, wenn sie von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert wird?

Dies ist eine Rot/Ox-Reaktion. Wir wissen das, weil wir als Produkt einen reduzierten Elektronenträger (NADH) hergestellt haben und NAD+ ist ein Reaktant. Woher kam das Elektron, um NADH herzustellen? Das Elektron muss vom anderen Reaktanten (der Kohlenstoffverbindung) stammen.



Bemerkungen:

  1. Hipolit

    Ich stimme dem oben Gesagten voll und ganz zu.

  2. Comyn

    Ich kann mich nicht erinnern.

  3. Abdullah

    Ich denke, dass Sie sich irren. Lassen Sie uns darüber diskutieren. Schreib mir per PN, wir reden.

  4. Masho

    Ich denke, dass Sie sich irren. Ich kann die Position verteidigen. Schreiben Sie mir in PM.



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