Informácie

W2018_Bis2A_Lecture11_reading - Biológia

W2018_Bis2A_Lecture11_reading - Biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Metabolizmus v BIS2A

Bunkový metabolizmus predstavuje zhruba 1/3 učebných osnov BIS2A. Dozviete sa o niektorých bežných chemických reakciách, ktoré sú spojené s premenou molekulárnych stavebných kameňov života a o rôznych základných režimoch prenosu energie, s ktorými sa často stretnete v biológii. Energetický príbeh a rubriky dizajnových výziev, ktoré boli predstavené vyššie, budú v týchto niekoľkých moduloch a aj mimo nich čoraz dôležitejšie.

Čo sme sa naučili? Ako to bude súvisieť s metabolizmom?

  1. Zamerali sme sa na identifikáciu a chemické vlastnosti bežných biologických funkčných skupín. Keď sa ponoríme do metabolizmu, pomôže vám to zoznámiť sa a niekedy dokonca predpovedať chemickú povahu/reaktivitu zlúčenín, ktoré ste nikdy predtým nevideli.
  2. Precvičili sme rozpoznávanie a klasifikáciu molekúl do štyroch hlavných funkčných skupín. To vám pomôže, keď začneme diskutovať o tom, ako tieto molekuly vybudovať a rozložiť.
  3. Naučili sme sa niektoré základné termodynamiky, ktoré nám poskytujú spoločný súbor pojmov, s ktorými môžeme diskutovať o tom, či je pravdepodobné, že dôjde k biochemickej reakcii alebo procesu, a ak áno, akým smerom a ako rýchlo. Toto bude rozhodujúce, keď začneme uvažovať o niektorých kľúčových typoch reakcií, ktoré prebiehajú v metabolizme.
  4. Naučili sme sa a precvičili sme si rubriku energetických príbehov. Aj to nám umožní systematicky skúmať nové biochemické reakcie a procesy a diskutovať o nich spoločným jazykom a prístupom, ktorý je konzistentný a posilňuje lekcie, ktoré sme sa naučili o termodynamike.

Stručný prehľad tejto sekcie

  • Predstaví sa vám dôležitý koncept tzv redukčný potenciál a dostanete možnosť použiť redoxnú vežu. Vo vašom diskusnom manuáli je aj diskusia o redoxnej chémii. Uistite sa, že používate oba zdroje.
  • Predstavia sa vám dvaja hlavní hráči v oblasti metabolizmu, ATP a NADH. Očakáva sa od vás, že rozpoznáte ich štruktúry, ak ich ukážete na skúške.
  • Podrobne bude popísaná glykolýza metabolickej dráhy. Majte na pamäti, že chceme, aby ste sa mohli pozrieť na každú reakciu a povedať nám energetický príbeh tejto reakcie. V žiadnom prípade by ste nemali tráviť čas tým, že sa budete snažiť zapamätať si tieto cesty (hoci vám veľmi pomôže zapamätať si niektoré veľké veci – tie budú zdôraznené). Často vám poskytneme cestu ako postavu pri skúškach. Glykolýza nakoniec produkuje 2 ATP pomocou procesu nazývaného fosforylácia na úrovni substrátu, 2 NADH a 2 pyruvátové zlúčeniny.
  • Reakcie cyklu TCA použijeme na vytvorenie viacerých príkladov energetických príbehov. Cyklus TCA bude tiež produkovať viac ATP, NADH a úplne oxidovať glukózu na CO2.
  • Pozrime sa na alternatívnu cestu k cyklu TCA, fermentáciu. Vo fermentácii po prvýkrát uvidíme NADH použitý ako reaktant v metabolickej reakcii.
  • Nasledujeme NADH až do konca jeho cesty, pretože daruje svoje elektróny reťazcu transportu elektrónov (ETC). V tomto module budete musieť používať redoxnú vežu. ETC produkuje protónový gradient. V tomto procese nie je priamo generovaný žiadny ATP. Protónový gradient však potom bunka využíva (okrem iného) na spustenie enzýmu nazývaného ATP syntáza, ktorý katalyzuje reakciu ADP + Pi --> ATP. Tento spôsob produkcie ATP (nazývaný oxidačné dýchanie) má za následok oveľa viac produkcie ATP ako fosforylácie na úrovni substrátu.
  • A nakoniec si prejdeme procesom fotosyntézy.

Redukčno-oxidačné reakcie

V tejto triede väčšina oxidačné/redukčné reakcie reakcie, o ktorých diskutujeme, sa vyskytujú v kontexte metabolických dráh (spojených súborov metabolických reakcií), kde bunka môže zlúčeniny spotrebovať, rozdeliť na menšie časti a potom znova zostaviť do väčších makromolekúl.

Začnime niekoľkými všeobecnými reakciami

Prenos elektrónov medzi dvoma zlúčeninami vedie k tomu, že jedna z týchto zlúčenín stratí elektrón a jedna zo zlúčenín elektrón získa. Pozrite sa napríklad na obrázok nižšie. Ak použijeme rubriku energetického príbehu na pohľad na celkovú reakciu, môžeme porovnať charakteristiky reaktantov a produktov pred a po. Čo sa stane s hmotou (vecami) pred a po reakcii? Zlúčenina A začína ako neutrálna a nadobúda kladný náboj. Zlúčenina B začína ako neutrálna a stáva sa záporne nabitou. Pretože elektróny sú negatívne nabité, môžeme sledovať pohyb elektrónov zo zlúčeniny A do B pohľadom na zmenu náboja. A stratí elektrón (stane sa pozitívne nabitý), a tým hovoríme, že A sa oxidovalo. Oxidáciaje spojená so stratou elektrónov (elektrónov). B získa elektrón (stane sa záporne nabitým) a povieme, že B sa zmenšil. Redukciaje spojená so ziskom elektrónov. Tiež vieme, že pretože sa niečo stalo, že energia musela byť v tomto procese buď prenesená a/alebo reorganizovaná, a čoskoro to zvážime.

Postava 1. Generická reakcia červená/vola. Celá reakcia je A +B ide do A+ + B-. Dve polovičné reakcie sú zobrazené v modrom rámčeku. A je oxidované reakciou a B je redukované reakciou.

Inak povedané, keď dôjde k strate elektrónu (elektrónov) alebo molekuly zoxidovanéelektrón (e) musí potom prejsť na inú molekulu. Molekula získavajúca elektrón je údajne znížený. *** Oxidačné a redukčné reakcie sú vždy spárované v tom, čo je známe ako an oxidačno-redukčná reakcia (nazýva sa to aj červená/volská reakcia). ****

V Bis2A očakávame, že sa s touto terminológiou zoznámite. Skúste sa to naučiť a naučiť sa ho používať čo najskôr - pojmy budeme používať často a nebudeme mať čas zakaždým ich definovať.

Pamätajte na definície:

Polovičná reakcia

Aby sme formalizovali naše spoločné chápanie reakcií červená/vola, predstavujeme koncept polovičnej reakcie. Na úplnú reakciu červená/ox sú potrebné dve polovičné reakcie. Každú polovičnú reakciu možno považovať za opis toho, čo sa stane s jednou z dvoch molekúl zapojených do reakcie red/ox. Toto je znázornené nižšie. V tomto prípade sa zlúčenina AH oxiduje zlúčeninou B+; elektróny sa pohybujú z AH do B+ vygenerovať A.+ a BH. Každú reakciu je možné považovať za dve polovičné reakcie: kde sa oxiduje AH a za druhú reakciu, kde B+ sa redukuje na BH. Tieto dve reakcie sa berú do úvahy spojené, termín, ktorý naznačuje, že tieto dve reakcie sa vyskytujú súčasne, súčasne.

Obrázok 2. Obecná reakcia červená/ox, kde sa zlúčenina AH oxiduje zlúčeninou B+. Každá polovičná reakcia predstavuje jeden druh alebo zlúčeninu, ktorá buď stráca alebo získava elektróny (a nasledujúci protón, ako je znázornené na obrázku vyššie). V polovičnej reakcii #1 AH stráca protón a 2 elektróny: v druhej polovičnej reakcii B+ získava 2 elektróny a protón. V tomto prípade je HA oxidovaný na A+ zatiaľ čo B+ sa zníži na BH.

Možná diskusia

Ak vezmete do úvahy generickú červenú/volskú reakciu a spätne sa zamyslíte nad termodynamickými prednáškami, aký faktor určí, či reakcia červená/vola pôjde spontánne „určitým smerom“ a čo by mohlo určiť jej rýchlosť?

Potenciál zníženia

Podľa konvencie analyzujeme a popisujeme red/ox reakcie s ohľadom na redukčné potenciály, termín, ktorý kvantitatívne opisuje "schopnosť" zlúčeniny získavať elektróny. Táto hodnota redukčného potenciálu je stanovená experimentálne, ale na účely tohto kurzu predpokladáme, že čitateľ akceptuje, že uvedené hodnoty sú primerane správne. Redukčný potenciál môžeme antropomorfizovať tým, že hovoríme, že súvisí so silou, ktorou môže zlúčenina „priťahovať“ alebo „ťahať“ alebo „zachytávať“ elektróny. Nie je prekvapením, že to súvisí s elektronegativitou, ale nie je s ňou identické.

Čo je to za vnútornú vlastnosť priťahovať elektróny?

Rôzne zlúčeniny na základe svojej štruktúry a atómového zloženia majú vnútorné a odlišné atrakcie pre elektróny. Táto kvalita sa nazýva redukčný potenciál alebo E0 'a je to relatívna veličina (relatívna v porovnaní s nejakým „štandardné”Reakcia). Ak má testovaná zlúčenina silnejšiu „príťažlivosť“ k elektrónom ako štandard (ak by tieto dva súťažili, testovaná zlúčenina by „odobrala“ elektróny zo štandardnej zlúčeniny), hovoríme, že testovaná zlúčenina má pozitívny redukčný potenciál, ktorého veľkosť je úmerná o koľko viac "chce" elektróny ako štandardná zlúčenina. Relatívna sila zlúčeniny v porovnaní so štandardom sa meria a uvádza v jednotkách Volty (V)(niekedy písané ako elektrónvolty alebo eV) alebo milivolty (mV). Referenčnou zlúčeninou vo väčšine red/ox veží je H2.

Možná diskusia

Preformulujte si: Ako opisujete alebo premýšľate o rozdiele medzi pojmom elektronegativita a červený/volský potenciál?

Červená/volská veža

Všetky druhy zlúčenín sa môžu zúčastniť red/ox reakcií. Bol vyvinutý nástroj na grafickú tabuľku polovičných reakcií red/ox na základe ich E0' hodnoty a ktoré nám pomôžu predpovedať smer toku elektrónov medzi potenciálnymi donormi a akceptormi elektrónov. To, či konkrétna zlúčenina môže pôsobiť ako donor elektrónov (reduktant) alebo akceptor elektrónov (oxidant), závisí kriticky od toho, s ktorou ďalšou zlúčeninou interaguje. Elektrónová veža zvyčajne zaraďuje rôzne bežné zlúčeniny (ich polovičné reakcie) od väčšiny negatívnych E0', zlúčeniny, ktoré sa ľahko zbavujú elektrónov, až po najpozitívnejší E0'zlúčeniny s najväčšou pravdepodobnosťou prijímajú elektróny. Okrem toho je každá polovičná reakcia napísaná konvenciou s oxidovanou formou vľavo/nasledovanou redukovanou formou napravo od lomítka.
Napríklad polovičná reakcia na zníženie NAD+ do NADH je napísané:
NAD+/NADH. Vo veži nižšie je uvedený aj počet prenesených elektrónov. Napríklad zníženie NAD+ k NADH zahŕňa dva elektróny, zapísané v tabuľke ako 2e-.

Elektrónová veža je zobrazená nižšie.

oxidovanej forme

znížená forma

n (elektróny)

Eo´ (volty)

PS1* (vôl)

PS1* (červená)

-

-1.20

Acetát + CO2

pyruvát

2

-0.7

ferredoxín (ox) verzia 1

ferredoxín (červený) verzia 1

1

-0.7

sukcinát + CO2 + 2H+

a-ketoglutarát + H2O

2

-0.67

PSII* (vôl)

PSII* (červená)

-

-0.67

P840* (ox)

PS840* (červený)

-

-0.67

acetát

acetaldehyd

2

-0.6

glycerát-3-P

glyceraldehyd-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

ferredoxín (ox) verzia 2

ferredoxín (červený) verzia 2

1

-0.43

CO2

glukózy

24

-0.43

CO2

formiát

2

-0.42

2H+

H2

2

-0.42

α-ketoglutarát + CO2 + 2H+

izocitrát

2

-0.38

acetoacetát

b-hydroxybutyrát

2

-0.35

Cystín

cysteín

2

-0.34

Pyruvát + CO2

malát

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Komplex I FMN (viazaný na enzým)

FMNH2

2

-0.3

Kyselina lipoová (ox)

Kyselina lipoová (červená)

2

-0.29

1,3 bisfosfoglycerát + 2H+

glyceraldehyd-3-P + Pi

2

-0.29

Glutatión, (vola)

glutatión, (červený)

2

-0.23

FAD+ (voľný) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Acetaldehyd + 2H+

etanolu

2

-0.2

Pyruvát + 2H+

laktát

2

-0.19

Oxalacetát + 2H+

malát

2

-0.17

a-ketoglutarát + NH4+

glutamát

2

-0.14

FAD+ + 2H+ (viazaný)

FADH2 (viazaný)

2

0.003-0.09

metylénová modrá, (ox)

Metylénová modrá, (červená)

2

0.01

fumarát + 2H+

sukcinát

2

0.03

CoQ (ubichinón - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Kyselina dehydroaskorbová

kyselina askorbová

2

0.06

Plastochinón; (vôl)

Plastochinón; (červená)

-

0.08

Ubichinón; (vôl)

Ubichinón; (červená)

2

0.1

Komplex III Cytochróm b2; Fe3+

Cytochróm b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Komplex III Cytochróm c1; Fe3+

Cytochróm c1; Fe2+

1

0.22

Cytochróm c; Fe3+

Cytochróm c; Fe2+

1

0.25

Komplex IV Cytochróm a; Fe3+

Cytochróm a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (vôl)

PS840GS (červená)

-

0.33

Komplex IV Cytochróm a3; Fe3+

Cytochróm a3; Fe2+

1

0.35

Ferricyanide

ferokyanid

2

0.36

Cytochróm f; Fe3+

Cytochróm f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (vôl)

PSIGS (červená)

.

0.37

Dusičnan

dusitany

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (vôl)

PSIIGS (červená)

-

1.10

* Vzrušený stav, po absorpcii fotónu svetla

Základný stav GS, uveďte pred absorpciou fotónu svetla

PS1: Kyslíkový fotosystém I

P840: Bakteriálne reakčné centrum obsahujúce bakteriochlorofyl (anoxygénne)

PSII: Kyslíkový fotosystém II

Stôl 1. Bežná veža Red/ox používaná v Bis2A. Podľa konvencie sú polovičné reakcie veže zapísané s oxidovanou formou zlúčeniny vľavo a redukovanou formou vpravo. Zlúčeniny, ktoré sú dobrými donormi elektrónov, majú vysoko negatívny redukčný potenciál. Zlúčeniny ako glukóza a vodík sú vynikajúcimi donormi elektrónov. Naopak zlúčeniny, ktoré sú vynikajúcimi akceptormi elektrónov, ako napríklad kyslík a dusitan.

Video na elektrónovej veži

Kliknite na sem alebo nižšie a získajte krátke video o tom, ako používať elektrónovú vežu pri problémoch s červenými/volmi. Toto video vyrobil doktor Easlon pre študentov Bis2A. (Toto je dosť informatívne.)

Aký je medzi tým vzťah ΔE0' a ΔG?

Teraz vyvstáva otázka: ako zistíme, či je daná reakcia red/ox energeticky spontánna alebo nie (exergonická alebo endergonická) a bez ohľadu na smer, aký je rozdiel voľnej energie? Odpoveď spočíva v rozdiele v redukčných potenciáloch týchto dvoch zlúčenín. Rozdiel v redukčnom potenciáli pre reakciu resp E0 ' pre reakciu je rozdiel medzi E0' pre oxidant (zlúčenina získavajúca elektróny a spôsobujúca oxidáciu druhej zlúčeniny) a redukčné činidlo (zlúčenina stráca elektróny). V našom generickom príklade nižšie je AH reduktant a B+ je oxidant. Elektróny sa pohybujú z AH do B+. Pomocou E.0' -0,32 pre redukčné činidlo a +0,82 pre oxidačné činidlo, celková zmena v E0' alebo ΔE0' je 1,14 eV.

Obrázok 3. Generická reakcia červená/ox s polovičnými reakciami zapísanými s redukčným potenciálom (napr0') dvoch uvedených polovičných reakcií.

Zmena ΔE0' koreluje so zmenami v Gibbsova voľná energia, ΔG. Vo všeobecnosti veľké kladné ΔE0' je úmerná veľkému negatívnemu ΔG. Reakcie sú exergonické a spontánne. Aby bola reakcia exergonická, musí mať reakcia negatívnu zmenu voľnej energie resp -ΔG, bude to zodpovedať kladnému ΔE0'. Inými slovami, keď elektróny prúdia „z kopca“ v reakcii červený/ox zo zlúčeniny s nižším (negatívnejším) redukčným potenciálom na druhú zlúčeninu s väčším (pozitívnejším) redukčným potenciálom, uvoľňujú voľnú energiu. Čím väčšie napätie, E0', medzi týmito dvoma zložkami, čím väčšia je energia, ktorá je k dispozícii, keď dôjde k toku elektrónov. V skutočnosti je možné kvantifikovať množstvo dostupnej voľnej energie. Vzťah je daný Nernstovou rovnicou:

Obrázok 4. Nernstova rovnica dáva do vzťahu voľnú energiu red/ox reakcie s rozdielom v redukčnom potenciáli medzi redukovanými produktmi reakcie a oxidovaným reaktantom.
Atribúcia: Marc T. Facciotti

Kde:

  • n je počet prenesených mólov elektrónov
  • F je Faradayova konštanta 96,485 kJ/V. Niekedy sa udáva v jednotkách kcal/V, čo je 23,062 kcal/V, čo je množstvo energie (v kJ alebo kcal) uvoľnenej pri prechode jedného mólu elektrónov potenciálnym poklesom o 1 volt.

Poznámka

Čo by ste si mali všimnúť, je, že ΔG a ΔE majú inverzný vzťah: Keď je ΔG kladné, ΔE je záporné, a keď je ΔG záporné, ΔE je kladné. Ďalšie informácie nájdete v diskusii o red/ox v diskusnom manuáli Bis2A.