Informacija

Zima_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_12 - Biologija

Zima_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_12 - Biologija



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.

Ciljevi učenja povezani s Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_12

  • Definirajte redoks reakciju i identificirajte uobičajene biološke redoks reakcije.
  • S obzirom na redoksreakcija, identificirati redukcijsko sredstvo,oksidirajućiagent,molekulakoja postaje oksidirana, a reducirana vrsta. Odredite koja je vrsta elektrona(s) "počinje"u,i kojoj vrsti "ide".
  • Napišite složenu kemijsku jednadžbu kada su zadane dvije redoks polu-reakcije.
  • Izračunajte ΔE0zadanoredoks reakcija pomoću jednadžbe 0 = E0(oksidans) -(reduktor)
  • Predvidite je li usmjeren prijenos elektrona između dvije kemijske vrste endergoničan ili eksergoničan primjenom koncepta redoks potencijala napod uvjetompodaci.
  • Kvalitativno povežite razliku u redoks potencijalima s odgovarajućom deltom Gibbsove entalpije.
  • Definirajte svaku varijablu i njezinu ulogu u jednadžbi: ΔG0= -nFΔE0.
  • Pretvori između ΔG0 i 0zadanoredoks reakcija pomoću jednadžbe ΔG0’ = -nF0
  • Ispričajte energetsku priču za redoks reakcijukoristinosač elektrona NAD+/NADH kao drugi supstrat u jednostavnom, generičkomreakcijashema:AH + NAD+ -> A+ + NADH.
  • Identificirajte NAD+ iz njegove molekularne strukture i identificirati funkcionalnu skupinu uključenu u njegovu funkciju kao oksidacijsko ili redukcijsko sredstvo.

Metabolizam u općoj biologiji

Stanični metabolizam predstavlja otprilike 1/3 nastavnog plana i programa Opće biologije. Naučit ćete o uobičajenim kemijskim reakcijama kojesu povezanis transformacijom životnih molekularnih građevnih blokova i o različitim osnovnim načinima prijenosa energije s kojima ćete se često susresti u biologiji. Energetska priča i rubrike o izazovima dizajna koje smo ranije predstavili postat će sve važniji u sljedećih nekoliko modula i dalje.

Što smo naučili? Kako će se to odnositi na metabolizam?

  1. Usredotočili smo se na identifikaciju i kemijska svojstva uobičajenih bioloških funkcionalnih skupina. Dok uranjamo u metabolizam, to će vam pomoći da se upoznate, a ponekad čak i predvidite kemijsku prirodu/reaktivnost spojeva koje nikada prije niste vidjeli.
  2. Vježbali smo prepoznavanje i razvrstavanje molekula u četiri glavne funkcionalne skupine. To će vam pomoći dok raspravljamo o tome kako izgraditi i razgraditi te molekule.
  3. Naučili smo neke osnovne termodinamike. To nam daje zajednički skup koncepata s kojima možemo raspravljati o tome hoće li doći do biokemijske reakcije ili procesa, i ako jest, u kojem smjeru i koliko brzo. Ovo će biti kritično jer razmatramo neke ključne reakcije koje se odvijaju u metabolizmu.
  4. Naučili smo i vježbali rubriku energetske priče. To će nam omogućiti da proučavamo nove biokemijske reakcije i da o njima raspravljamo zajedničkim, dosljednim jezikom i pristupomkojitakođer učvršćuje lekcije koje smo naučili o termodinamici.

Pregled ovog odjeljka

  • Uvest ćemo važan koncept tzv smanjenjepotencijal ibit će vam danomogućnost korištenja redoks tornja. U vašem priručniku za raspravu postoji i rasprava o redoks kemiji. Koristite oba izvora.
  • Upoznat ćemo dva glavna igrača u metabolizmu, ATP i NADH. Očekujemo da ćete prepoznati njihovu strukturu ako se pokaže na ispitu.
  • Pokriti ćemo metabolički put glikolize. Imajte na umu da želimo da pogledate svaku reakciju i ispričate nam energetsku priču o toj reakciji. Ne biste trebali pokušavati zapamtiti ove putove (iako će vam pomoći da zapamtite neke velike stvari – naglasit ćemo ih). Često ćemo vam dati put kao figuru na ispitima. Glikoliza proizvodi 2 ATP putem procesa koji se zove fosforilacija na razini supstrata, 2 NADH i 2 piruvatna spoja.
  • Koristit ćemo reakcije TCA ciklusa za stvaranje više primjera energetskih priča. TCA ciklus će također proizvesti više ATP, NADH i oksidirati glukozu u CO2.
  • Pogledat ćemo alternativni put za TCA ciklus, fermentaciju. Ovdje ćemo po prvi put vidjeti NADH koji se koristi kao reaktant u metaboličkoj reakciji.
  • Pratit ćemo NADH do kraja njegova putovanja, jer donira svoje elektrone lancu prijenosa elektrona (ETC). U ovom modulu morat ćete koristiti redoks toranj. ETC proizvodi protonski gradijent. Nema ATPse izravno generirau ovom procesu. Međutim, gradijent protonazatim se korististanica pokreće enzim koji se zove ATP sintaza, kojikatalizirareakcija ADP + Pi --> ATP. Ova metoda proizvodnje ATP-a (nazvana oksidativna fosforilacija) rezultira proizvodnjom više ATP-a nego fosforilacijom na razini supstrata.
  • I konačno, proći ćemo kroz proces fotosinteze.

Reakcije redukcije-oksidacije

U ovoj klasi većina oksidacijske/redukcijske reakcije o kojima raspravljamo javljaju se u metaboličkim putovima (povezanim skupovima metaboličkih reakcija) gdje spojevi koje stanica konzumirasu slomljenidolje na manje dijelove, a zatim ponovno sastavljeni u veće makromolekule.

Počnimo s nekim općim reakcijama

Prijenos elektrona između dva spoja rezultira time da jedan od tih spojeva gubi elektron, a jedan spoj dobiva elektron. Na primjer, pogledajte donju sliku. Ako koristimo rubriku energetske priče da pogledamo cjelokupnu reakciju, možemo usporediti karakteristike prije i poslije reaktanata i proizvoda. Što se događa s materijom (stvarima) prije i poslije reakcije? SpojA počinjekao neutralan i postaje pozitivno nabijen. Spoj B počinje kao neutralan i postaje negativno nabijen. Budući da elektronisu negativno nabijene, možemo pratiti kretanje elektrona od spoja A do B gledajući promjenu naboja.A gubielektron (postaje pozitivno nabijen), a mi kažemo da je A postao oksidiran. Oksidacijaje povezanas gubitkomelektron(s). B dobiva elektron (postaje negativno nabijen), a mi kažemo da je B postao reduciran. Smanjenjeje povezanas dobitkom elektrona. Također znamo, otkako se nešto dogodilo što energija mora imatije prebačenoi/ili reorganizirana u ovom procesu i to ćemo uskoro razmotriti.

Slika 1. Generička reakcija crvenog/vola. Potpuna reakcija je da A +B ide na A+ + B-.Prikazane su dvije polureakcijeu plavoj kutiji. Aje oksidiranreakcijom iB se reducira reakcijom.

Drugim riječima, kada je elektron(s)izgubljeno, ilimolekula jeoksidirani, elektron(s) onda moraprošaona drugu molekulu. Kažemo da molekula koja dobije elektron postaje smanjena. ***Reakcije oksidacije i redukcijesuuvijek u paru. Zajednoove uparene reakcijesu poznatikao oksidacijsko-redukciona reakcija (također se naziva reakcija red/ox).****

U Bis2A očekujemo da se upoznate s ovom terminologijom. Pokušajte ga naučiti i naučiti ga koristiti što je prije moguće - često ćemo koristiti pojmove i nećemo imati vremena svaki put ih definirati.

Zapamtite definicije:

Polureakcija

Kako bismo formalizirali naše zajedničko razumijevanje reakcija crvenog/vola, uvodimo koncept polureakcije. Potpuna reakcija red/ox zahtijeva dvije polureakcije. Svaku polovičnu reakciju možemo zamisliti kao opis onoga što se događa s jednom od dvije molekule uključene u potpunu reakciju crvenog/vola. To ilustriramo u nastavku. U ovom primjeru, spoj AH se oksidira spojem B+; elektroni se kreću od AH do B+ generirati A+ i BiH. Svaka reakcija se može zamisliti kao dvije polureakcije: gdje se AH oksidira i druga reakcija gdje je B+ se svodi na bh. Ove dvije reakcije se razmatraju spojen, izraz koji pokazuje da se ove dvije reakcije događaju zajedno, u isto vrijeme.

Slika 2. Generička reakcija red/ox u kojoj se spoj AH oksidira spojem B+. Svaka polureakcija predstavlja jednu vrstu ili spoj koji gubi ili dobiva elektrone (i naknadni proton kao što je prikazano na gornjoj slici). U polovičnoj reakciji #1 AH gubi proton i 2 elektrona: u drugoj polovici reakcije, B+ dobije 2 elektrona i proton. U ovom primjeru HA se oksidira u A+ dok je B+ svodi se na BH.

Potencijal smanjenja

Po dogovoru analiziramo i opisujemo reakcije crvenog/vola s obzirom na redukcijski potencijali, izraz koji kvantitativno opisuje "sposobnost" spoja da dobije elektrone. Ova vrijednost redukcijskog potencijala određena je eksperimentalno, ali za potrebe ovog tečaja pretpostavljamo da će čitatelj prihvatiti da su navedene vrijednosti razumno točne. Možemo antropomorfizirati potencijal redukcije govoreći da je povezan sa snagom kojom spoj može "privući" ili "povući" ili "zarobiti" elektrone. Nije iznenađujuće da je to povezano, ali nije identično s elektronegativnošću.

Koje je to svojstvo privlačenja elektrona?

Različiti spojevi, na temelju svoje strukture i atomskog sastava, imaju intrinzičnu i različitu privlačnost za elektrone. Ova kvaliteta se naziva potencijal redukcije ili E0'i relativna je veličina (u odnosu na neki “standard” reakcija). Ako ispitni spoj ima jaču "privlačnost" na elektrone od standardnog (ako su se njih dvojica natjecala, ispitivani spoj bi "uzeo" elektrone od standardnog spoja), kažemo da ispitni spoj ima pozitivan redukcijski potencijal čija je veličina proporcionalna koliko više "želi" elektrone od standardnog spoja. Relativna snaga spoja u usporedbi sa standardom mjeri se i iskazuje u jedinicama od volti (V)(ponekad zapisano kao elektron volt ili eV) ili milivolti (mV). Referentni spoj u većini tornjeva crvenog/vola je H2.


Moguća NB Rasprava Točka

Preformulirajte za sebe: Kako opisujete ili razmišljate o razlici između koncepta elektronegativnosti i crvenog/vola potencijala?


Kula crvenog/vola

Sve vrste spojeva mogu sudjelovati u red/ox reakcijama. Znanstvenici su razvili grafički alat za tablični prikaz polureakcija crvenog/vola na temelju njihove E0' vrijednosti i da nam pomognu predvidjeti smjer toka elektrona između potencijalnih donora i akceptora elektrona. Može li određeni spoj djelovati kao donor elektrona (reduktor) ili akceptor elektrona (oksidans) bitno ovisi o tome s kojim drugim spojem je u interakciji. Elektronski toranj obično rangira razne uobičajene spojeve (njihove polovične reakcije) od većine negativnih E0', spojevi koji se lako rješavaju elektrona, do najpozitivnijeg E0', spojevi koji će najvjerojatnije prihvatiti elektrone. Osim toga, svaka polureakcija je napisana po dogovoru s oksidiranim oblikom s lijeve strane/slijeđenim reduciranim oblikom s desne strane kose crte.
Na primjer, zapisujemo polovičnu reakciju za redukciju NAD+ u NADH:
NAD+/NADH. Toranj ispod također navodi broj elektrona koji se prenose u svakoj reakciji. Na primjer, smanjenje NAD-a+ u NADH uključuje dva elektrona, zapisano u tablici kao 2e-.

Biokemijski elektronski toranj prikazan je u nastavku.

oksidirani oblik

smanjenom obliku

n (elektroni)

Eo´ (volti)

PS1* (vol)

PS1* (crveno)

-

-1.20

acetat + CO2

piruvat

2

-0.7

feredoksin (vol) verzija 1

feredoksin (crveni) verzija 1

1

-0.7

sukcinat + CO2 + 2H+

a-ketoglutarat + H2O

2

-0.67

PSII* (vol)

PSII* (crveno)

-

-0.67

P840* (vol)

PS840* (crveni)

-

-0.67

acetat

acetaldehid

2

-0.6

glicerat-3-P

gliceraldehid-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

feredoksin (vol) verzija 2

feredoksin (crveni) verzija 2

1

-0.43

CO2

glukoza

24

-0.43

CO2

formatizovati

2

-0.42

2H+

H2

2

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

Napomena: na [H+] = 1; pH=0 Eo' za vodik je NULA. To ćete vidjeti na satu kemije.

α-ketoglutarat + CO2 + 2H+

izocitrat

2

-0.38

acetoacetat

b-hidroksibutirat

2

-0.35

cistina

cistein

2

-0.34

Piruvat + CO2

malat

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Kompleks I FMN (vezan za enzime)

FMNH2

2

-0.3

lipoična kiselina, (vol)

lipoična kiselina, (crvena)

2

-0.29

1,3 bisfosfoglicerat + 2H+

gliceraldehid-3-P + Pi

2

-0.29

glutation, (vol)

glutation, (crveni)

2

-0.23

FAD+ (slobodno) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Acetaldehid + 2H+

etanol

2

-0.2

Piruvat + 2H+

laktat

2

-0.19

Oksalacetat + 2H+

malat

2

-0.17

α-ketoglutarat + NH4+

glutamat

2

-0.14

FAD+ + 2H+ (vezan)

FADH2 (vezan)

2

0.003-0.09

metilensko plavo, (vol)

metilensko plavo, (crveno)

2

0.01

Fumarat + 2H+

sukcinirati

2

0.03

CoQ (ubikinon - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Dehidroaskorbinska kiselina

askorbinska kiselina

2

0.06

Plastokinon; (vol)

Plastokinon; (Crvena)

-

0.08

ubikinon; (vol)

ubikinon; (Crvena)

2

0.1

Kompleks III Citokrom b2; Fe3+

Citokrom b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Kompleks III Citokrom c1; Fe3+

Citokrom c1; Fe2+

1

0.22

citokrom c; Fe3+

citokrom c; Fe2+

1

0.25

Kompleks IV citokrom a; Fe3+

citokrom a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (vol)

PS840GS (Crvena)

-

0.33

Kompleks IV Citokrom a3; Fe3+

Citokrom a3; Fe2+

1

0.35

fericijanid

ferocijanid

2

0.36

Citokrom f; Fe3+

Citokrom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (vol)

PSIGS (Crvena)

.

0.37

Nitrat

nitrit

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (vol)

PSIIGS (Crvena)

-

1.10

* Uzbuđeno stanje, nakon apsorpcije fotona svjetlosti

GS Prizemno stanje, stanje prije apsorpcije fotona svjetlosti

PS1: Fotosustav kisika I

P840: Bakterijski reakcijski centar koji sadrži bakterioklorofil (anoksigen)

PSII: kisikov fotosustav II

Stol 1. Uobičajeni toranj Red/ox koji se koristi u Bis2A. Po dogovoru su polureakcije tornja zapisane oksidiranim oblikom spoja s lijeve strane i reduciranim oblikom s desne strane. Spojevi koji čine dobre donore elektrona imaju vrlo negativne potencijale redukcije. Spojevi kao što su glukoza i plinoviti vodik izvrsni su donori elektrona. Nasuprot tome, spojevi koji čine izvrsne akceptore elektrona, kao što su kisik i nitrit, izvrsni su akceptori elektrona.

Video o elektronskom tornju

Za kratak video o tome kako koristiti elektronski toranj u problemima s red/oxom kliknite ovdje ili ispod. Ovaj video je napravio dr. Easlon za studente Bis2A. (Ovo je dosta informativno.)

Kakav je odnos između ΔE0' i ΔG?

Postavlja se pitanje: kako možemo znati je li bilo koja reakcija crvenog/vola energetski spontana ili ne (eksergonska ili endergonska) i bez obzira na smjer, kolika je razlika slobodne energije? Odgovor leži u razlici redukcijskih potencijala ova dva spoja. Razlika u redukcijskom potencijalu za reakciju odn E0' za reakciju je razlika između E0' za oksidans (spoj koji dobiva elektrone i uzrokuje oksidaciju drugog spoja) i reduktor (spoj koji gubi elektrone). U našem generičkom primjeru ispod, AH je reduktor, a B+ je oksidans. Elektroni se kreću od AH do B+. Koristeći E0' od -0,32 za reduktor i +0,82 za oksidans ukupna promjena E0' ili ΔE0' iznosi 1,14 eV.

Slika 3. Generička reakcija red/ox s polovičnim reakcijama napisanim s redukcijskim potencijalom (E0') od dvije navedene polureakcije.

Promjena ΔE0' korelira s promjenama u Gibbsova slobodna energija, ΔG. Općenito velika pozitivna ΔE0' proporcionalna je velikom negativnom ΔG. Reakcije su eksergonične i spontane. Da bi reakcija bila eksergonična reakcija mora imati negativnu promjenu slobodne energije ili -ΔG, to će odgovarati pozitivnom ΔE0'. Drugim riječima, kada elektroni teku "nizbrdo" u reakciji red/ox od spoja s nižim (negativnijim) redukcijskim potencijalom do drugog spoja s većim (pozitivnijim) redukcijskim potencijalom, oni oslobađaju slobodnu energiju. Što je napon veći, E0', između dvije komponente, veća je energija dostupna kada se pojavi protok elektrona. U stvari, moguće je kvantificirati količinu raspoložive slobodne energije. Odnos je dan Nernstovom jednadžbom:

Slika 4. Nernstova jednadžba povezuje slobodnu energiju reakcije red/ox s razlikom redukcijskog potencijala između reduciranih produkata reakcije i oksidiranog reaktanta.
Atribucija: Marc T. Facciotti

Gdje:

  • n je broj prebačenih molova elektrona
  • F je Faradayeva konstanta od 96,485 kJ/V. Ponekad se daje u jedinicama kcal/V što je 23,062 kcal/V, što je količina energije (u kJ ili kcal) koja se oslobađa kada jedan mol elektrona prođe kroz pad potencijala od 1 volta

Uvod u mobilne prijenosnike energije

Sažetak odjeljka

Energija se kreće i prenosi unutar stanice na razne načine. Jedan kritični mehanizam koji je priroda razvila je korištenje molekularnih nositelja energije koji se mogu reciklirati. Iako postoji nekoliko glavnih nositelja energije koji se mogu reciklirati, svi dijele neke zajedničke funkcionalne značajke:

Svojstva ključnih staničnih molekularnih nositelja energije

  • Smatramo da nositelji energije postoje u "bazenima".dostupnonositelji. Analogno bismo ove mobilne prijenosnike energije mogli smatrati analognim dostavnim vozilima prijevoznika paketa – tvrtka ima određen "pool"dostupnovozila u bilo kojem trenutku za preuzimanje i dostavu.
  • Svaki pojedinačni nositelj u grupi može postojati u jednom od više različitih stanja: jestilinosi "opterećenje" energije, djelomično opterećenje ili je "prazan". Molekula možeinterkonvertiratiizmeđu "napunjenog" i praznog i tako možebiti reciklirani. Opet po analogiji, dostavna vozila mogu bitiilinositi pakete ili biti prazan i prebacivati ​​se između ovih stanja.
  • Ravnoteža ili omjer u grupi između "napunjenih" i "neopterećenih" nosača važan je za staničnu funkciju, regulira ga stanica i često nam može reći nešto o stanju stanice. Isto tako, služba za prijevoz paketa pomno prati koliko su njihova dostavna vozila puna ili prazna – ako su prepuna, možda neće biti dovoljno "praznih" kamiona za preuzimanje novih paketa; ako su previše prazni, posao ne smije dobro ići ili će ga ugasiti. Postoji odgovarajuća ravnoteža za različite situacije.

U ovom ćemo tečaju ispitati dvije glavne vrste molekularnih nositelja energije koji se mogu reciklirati: (1) adenin nukleotide: nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+), bliski rođak, nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP+), i flavin adenin dinukleotid (FAD2+) i (2) nukleotidni mono-, di- i trifosfati, s posebnom pažnjom na adenozin trifosfat (ATP). Ove dvije vrste molekula sudjeluju u raznim reakcijama prijenosa energije. Nukleotide adenina prvenstveno povezujemo s crvenom/volskom kemijom, a nukleotidne trifosfate s prijenosima energije povezanim s hidrolizom ili kondenzacijom anorganskih fosfata.

Crveni/volkemije i nosača elektrona

Oksidacija ili uklanjanje elektrona iz molekule (bez obzira je li popraćeno uklanjanjem pratećeg protona ili ne) rezultira promjenom slobodne energije za tu molekulu - materija, unutarnja energija i entropija su se promijenile. Isto tako, redukcija molekule također mijenja njezinu slobodnu energiju. Veličina promjene slobodne energije i njezin smjer (pozitivan ili negativan) za red/ox reakciju diktira spontanost reakcije i koliko energije prenosi. U biološkim sustavima, gdje se velik dio prijenosa energije događa putem crvenih/ox reakcija, važno je razumjeti kako te reakcijesu posredovanite razmotriti ideje ili hipoteze zašto te reakcijesu posredovaninajčešće od strane male obitelji nosača elektrona.

Napomena: DIZAJNSKI IZAZOV

Problem na koji se aludira u prethodnom pitanju za raspravu odlično je mjesto za uvođenje rubrike izazova dizajna. Ako se sjećate, prvi korak rubrike traži da definirate problem ili pitanje. Evo, zamislimo da postoji problem za definiranje za koji su mobilni nosači elektrona u nastavku pomogli Prirodi riješiti.

***Zapamtite, evolucija NE donosi rješenja za probleme naprijed, ali u retrospektivi, možemo koristiti svoju maštu i logiku da zaključimo da je ono što vidimo sačuvano prirodnom selekcijom dalo selektivnu prednost, jer je prirodna inovacija "riješila" problem taj ograničeni uspjeh.***

Dizajnerski izazov za nosače crvenog/vola

  • Što je bio problem(s) što je evolucija mobilnih nosača elektrona pomogla riješiti?
  • Sljedeći korak dizajnerskog izazova traži od vas da identificirate kriterije za uspješna rješenja. Koji su kriteriji za uspjeh u problemu koji ste identificirali?
  • Korak 3 u izazovu dizajna traži od vas da identificirate rješenja. Pa, ovdje je priroda identificirala neke za nas—tri razmatramo u čitanju u nastavku. Čini se da je priroda sretna što ima više rješenja za problem.
  • Pretposljednji korak rubrike izazova dizajna traži od vas da testirate predložena rješenja u odnosu na kriterije uspjeha. To bi vas trebalo natjerati da razmislite/prodiskutujete zašto postoji više različitih nosača elektrona. Postoje li različiti kriteriji za uspjeh? Rješavaju li svaki malo drugačije probleme? Što misliš? Budite na oprezu dok prolazimo kroz metabolizam u potrazi za tragovima.

NAD+/H i FADH/H2

U živim sustavima, mala klasa spojeva funkcionira kao elektronski šatlovi: oni vežu i prenose elektrone između spojeva na različitim metaboličkim putovima. Glavni nositelji elektrona koje ćemo razmotriti potječu iz skupine B vitamina i nukleotida. Ovi spojevi mogu postati reducirani (tj. prihvaćaju elektrone) ili oksidirani (gube elektrone) ovisno o redukcijskom potencijalu potencijalnog donora ili akceptora elektrona s kojeg bi mogli prenijeti elektrone na i iz. Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) (dolje prikazujemo strukturu) potječe od vitamina B3, niacin. NAD+ je oksidirani oblik molekule; NADH je reducirani oblik molekule nakon što prihvati dva elektrona i proton (koji su zajedno ekvivalent atoma vodika s dodatnim elektronom).

Očekujemo da naučite napamet dva oblika NAD-a+/NADH, znati koji je oblik oksidiran, a koji reduciran, te biti u stanju prepoznati bilo koji oblik na licu mjesta u kemijskoj reakciji.

NAD+ može prihvatiti elektrone iz organske molekule prema općoj jednadžbi:

Evo pregleda vokabulara: kada se spoju dodaju elektroni, kažemo da je spoj bio smanjena. Spoj koji reducira (donira elektrone) drugome naziva se a redukcijsko sredstvo. U gornjoj jednadžbi RH je redukcijski agens, a NAD+ postaje reduciran na NADH. Kada elektroni napuste spoj, on postaje oksidiran. Spoj koji oksidira drugi naziva se an oksidacijsko sredstvo. U gornjoj jednadžbi, NAD+ je oksidacijsko sredstvo, a RH se oksidira u R. Drugim riječima, redukcijsko sredstvo se oksidira, a oksidacijsko sredstvo se reducira.

Moraš ovo spustiti! Mi ćemo (a) posebno testirati vašu sposobnost da to učinite (kao "jednostavna" pitanja) i (b) koristit ćemo izraze uz očekivanje da znate što znače i da ih možete ispravno povezati s biokemijskim reakcijama (u razredu i na testovima).

Također ćete naići na drugu varijaciju NAD-a+, NADP+. Strukturno je vrlo sličan NAD-u+, ali sadrži dodatnu fosfatnu skupinu i igra važnu ulogu u anaboličkim reakcijama, kao što je fotosinteza. Još jedan nosač elektrona baziran na nukleotidima s kojim ćete se također susresti u ovom tečaju i dalje, flavin adenin dinukleotid (FAD+), potječe od vitamina B2, također se naziva riboflavin. Njegov smanjeni oblik je FADH2. Naučite prepoznati ove molekule kao nositelje elektrona.

Slika 1. Oksidirani oblik nosača elektrona (NAD+) lijevo je prikazano, a desno reducirani oblik (NADH). Dušična baza u NADH ima jedan više vodikov ion i dva elektrona više nego u NAD+.

Stanica koristi NAD+ da "povuče" elektrone iz spojeva i da ih "prenese" na druga mjesta unutar stanice; tako ga nazivamo an nosilac elektrona. Mnogi metabolički procesi o kojima ćemo raspravljati u ovom razredu uključuju NAD(P)+/H spojevi. Na primjer, u svom oksidiranom obliku, NAD+ koristi se kao reaktant u glikolizi i TCA ciklusu, dok je u reduciranom obliku (NADH) reaktant u reakcijama fermentacije i lancima prijenosa elektrona (ETC). O svakom od ovih procesa raspravljat ćemo u kasnijim modulima.

Energetska priča za reakciju crvenog/vola

***U pravilu, kada vidimo NAD+/H kao reaktant ili proizvod, znamo da gledamo reakciju crvenog/vola.***

Kada je NADH proizvod i NAD+ je reaktant, znamo da NAD+ se reducira (tvori NADH); stoga je drugi reaktant morao biti donor elektrona i oksidirati. Vrijedi i obrnuto. Ako je NADH postao NAD+, tada je drugi reaktant morao dobiti elektron iz NADH i postati reduciran.

Slika 2. Ova reakcija pokazuje pretvorbu piruvata u mliječnu kiselinu zajedno s pretvorbom NADH u NAD+. Izvor: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

Na gornjoj slici vidimo kako piruvat postaje mliječna kiselina, zajedno s pretvorbom NADH u NAD+. LDH katalizira ovu reakciju. Koristeći naše gore navedeno "pravilo palca", ovu reakciju kategoriziramo kao reakciju crvenog/vola. NADH je reducirani oblik prijenosnika elektrona, a NADH se pretvara u NAD+. Ova polovica reakcije rezultira oksidacijom nosača elektrona. U ovoj reakciji piruvat se pretvara u mliječnu kiselinu. Oba šećera su negativno nabijena, pa bi bilo teško vidjeti koji je spoj više reduciran korištenjem naboja spojeva. Međutim, znamo da se piruvat reducira u mliječnu kiselinu, jer je ova konverzija povezana s oksidacijom NADH u NAD.+. Ali kako možemo reći da je mliječna kiselina smanjena više od piruvata? Odgovor je pogledati veze ugljik-vodik u oba spoja. Prilikom prijenosa elektrona često ih prati atom vodika. Piruvat ima ukupno tri C-H veze, dok mliječna kiselina ima četiri C-H veze. Kada usporedimo ova dva spoja u stanju prije i poslije, vidimo da mliječna kiselina ima još jednu C-H vezu; stoga je mliječna kiselina smanjena više od piruvata. To vrijedi za više spojeva. Na primjer, na donjoj slici trebali biste biti u mogućnosti rangirati spojeve od najviše do najmanje smanjene koristeći veze C-H kao vodič.

Slika 3. Iznad je niz spojeva koji se mogu rangirati ili reorganizirati od najviše do najmanje reducirane. Usporedite broj C-H veza u svakom spoju. Ugljični dioksid nema C-H veze i najoksidiraniji je oblik ugljika o kojem ćemo raspravljati u ovoj klasi. Odgovor: najviše se reducira metan (spoj 3), zatim metanol (4), formaldehid (1), karboksilna kiselina (2) i na kraju ugljični dioksid (5).

Slika 4. Ova reakcija pokazuje pretvorbu G3P, NAD+, i Pi u NADH i 1,3-BPG. Ovu reakciju katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza.

Energetska priča za reakciju koju katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza:

Napravimo energetsku priču za gornju reakciju.

Prvo, okarakterizirajmo reaktante i produkte. Reaktanti su gliceraldehid-3-fosfat (ugljikov spoj), Pi (anorganski fosfat) i NAD+. Ova tri reaktanta ulaze u kemijsku reakciju za proizvodnju dva proizvoda, NADH i 1,3-bisfosfoglicerat. Ako pažljivo pogledate, možete vidjeti da 1,3-BPG sadrži dva fosfata. To je važno jer kemijska reakcija ne smije gubiti masu između početka i kraja. U reaktantima su dva fosfata, pa u produktima moraju biti dva fosfata (očuvanje mase!). Možete još jednom provjeriti knjiženje mase za sve ostale atome. Također bi trebao biti ispravno tablični. Enzim nazvan gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza katalizira ovu reakciju. Standardna promjena slobodne energije ove reakcije je ~6,3 kJ/mol, pa u standardnim uvjetima možemo reći da je slobodna energija produkata veća od energije reaktanata i da ova reakcija nije spontana u standardnim uvjetima.

Što možemo reći o ovoj reakciji kada je katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza?

Ovo je reakcija crvenog/vola. To znamo jer smo proizveli reducirani nosač elektrona (NADH) kao proizvod i NAD+ je reaktant. Odakle je došao elektron da stvori NADH? Elektron je morao doći iz drugog reaktanta (ugljikov spoj).