Informacja

2020_Wiosna_Bis2A_Facciotti_Wykład_12 - Biologia

2020_Wiosna_Bis2A_Facciotti_Wykład_12 - Biologia


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.

Cele nauczania związane z 2020_Wiosną_Bis2A_Facciotti_Wykład_12

  • Zdefiniuj reakcję redoks i zidentyfikuj typowe biologiczne reakcje redoks.
  • Biorąc pod uwagę redoksreakcja, zidentyfikuj czynnik redukujący,utleniająceagent,cząsteczkaktóry ulega utlenieniu i zredukowanym gatunkom. Zidentyfikuj, który gatunek elektronu(s) „zaczyna się”w,i do jakiego gatunku „idzie”.
  • Napisz złożone równanie chemiczne, mając dwie reakcje połówkowe redoks.
  • Oblicz Δmi0dladanyreakcja redoks za pomocą równania Δmi0’ = mi0(utleniacz) - E0(reduktor)
  • Przewidzieć, czy kierunkowy transfer elektronów między dwoma indywiduami chemicznymi ma charakter endergoniczny czy egzergiczny, stosując koncepcję potencjału redoks dopod warunkiem, żedane.
  • Jakościowo powiązać różnicę potencjałów redoks z odpowiednią deltą entalpii Gibbsa.
  • Zdefiniuj każdą zmienną i jej rolę w równaniu: G0= -nFΔE0.
  • Konwertuj między G0 oraz E0 dladanyreakcja redoks za pomocą równania G0’ = -nFΔE0.
  • Opowiedz historię energetyczną dla reakcji redoks, którawykorzystujenośnik elektronów NAD+/NADH jako drugi substrat w prostym, generycznymreakcjaschemat:AH + NAD+ -> A + NADH.
  • Zidentyfikuj NAD+ na podstawie jego struktury molekularnej i zidentyfikuj grupę funkcyjną zaangażowaną w jego funkcję jako środka utleniającego lub redukującego.
  • Stwórz termodynamiczny argument za tym, jak hydroliza ATP możebyć sparowanymnapędzać reakcje endergoniczne.
  • Wyjaśnij istotny udział wody w określaniu negatywu G0 hydrolizy wiązania fosfobezwodnikowego w ATP.

Metabolizm w BIS2A

Metabolizm komórkowy stanowi mniej więcej 1/3 programu nauczania BIS2A. Dowiesz się o typowych reakcjach chemicznych, które:są związanez transformacją molekularnych elementów budulcowych życia i różnymi rdzennymi trybami transferu energii, z którymi często spotykasz się w biologii. Opowieść energetyczna i przedstawione wcześniej rubryki dotyczące wyzwań projektowych będą nabierały coraz większego znaczenia w kolejnych kilku modułach i nie tylko.

Czego się nauczyliśmy? Jak to się odniesie do metabolizmu?

  1. Skupiliśmy się na identyfikacji i właściwościach chemicznych wspólnych biologicznych grup funkcyjnych. Gdy zagłębimy się w metabolizm, pomoże ci to zapoznać się, a czasem nawet przewidzieć, chemiczną naturę/reaktywność związków, których nigdy wcześniej nie widziałeś.
  2. Przećwiczyliśmy rozpoznawanie i klasyfikowanie cząsteczek na cztery główne grupy funkcyjne. Pomoże ci to, gdy będziemy omawiać, jak budować i rozkładać te cząsteczki.
  3. Nauczyliśmy się podstaw termodynamiki. Daje nam to wspólny zestaw pojęć, za pomocą których można dyskutować, czy reakcja lub proces biochemiczny może wystąpić, a jeśli tak, to w jakim kierunku i jak szybko. Będzie to miało kluczowe znaczenie, ponieważ rozważymy kilka kluczowych reakcji zachodzących w metabolizmie.
  4. Nauczyliśmy się i przećwiczyliśmy rubrykę opowieści o energii. Umożliwi nam to badanie nowych reakcji biochemicznych i omówienie ich wspólnym, spójnym językiem i podejściemktórywzmacnia również lekcje, których nauczyliśmy się na temat termodynamiki.

Przegląd tej sekcji

  • Wprowadzimy ważne pojęcie o nazwie zmniejszeniepotencjał orazdostanieszmożliwość skorzystania z wieży redoks. W twoim podręczniku dyskusyjnym znajduje się również dyskusja na temat chemii redoks. Użyj obu zasobów.
  • Przedstawimy dwóch głównych graczy w metabolizmie, ATP i NADH. Oczekujemy, że rozpoznasz ich struktury, jeśli zostaną pokazane na egzaminie.
  • Omówimy glikolizę szlaku metabolicznego. Pamiętaj, że chcemy, abyś przyjrzał się każdej reakcji i opowiedział nam energetyczną historię tej reakcji. Nie powinieneś próbować zapamiętywać tych ścieżek (chociaż pomoże to zapamiętać pewne rzeczy z dużego obrazu - będziemy je podkreślać). Często podajemy Ci ścieżkę jako liczbę na egzaminach. Glikoliza wytwarza 2 ATP w procesie zwanym fosforylacją na poziomie substratu, 2 NADH i 2 związki pirogronianowe.
  • Wykorzystamy reakcje cyklu TCA do stworzenia wielu przykładów opowieści o energii. Cykl TCA będzie również wytwarzał więcej ATP, NADH i utleniał glukozę do CO2.
  • Przyjrzymy się alternatywnej ścieżce do cyklu TCA, fermentacji. Tutaj po raz pierwszy zobaczymy NADH jako reagent w reakcji metabolicznej.
  • Będziemy śledzić NADH do końca jego podróży, ponieważ przekazuje on swoje elektrony do łańcucha transportu elektronów (ETC). W tym module będziesz musiał użyć wieży redoks. ETC wytwarza gradient protonów. Brak ATPjest generowany bezpośredniow tym procesie. Jednak gradient protonowyjest wtedy używanyprzez komórkę do uruchomienia enzymu zwanego syntazą ATP, który:katalizujereakcja ADP + Pi --> ATP. Ta metoda wytwarzania ATP (zwana fosforylacją oksydacyjną) powoduje wytwarzanie większej ilości ATP niż poprzez fosforylację na poziomie substratu.
  • I wreszcie przejdziemy przez proces fotosyntezy.

Reakcje redukcji-utleniania

W tej klasie większość reakcje utleniania/redukcji które omawiamy zachodzą w szlakach metabolicznych (połączonych zestawach reakcji metabolicznych), gdzie związki konsumowane przez komórkęsą zepsutew mniejsze części, a następnie ponownie składane w większe makrocząsteczki.

Zacznijmy od kilku ogólnych reakcji

Przenoszenie elektronów między dwoma związkami powoduje, że jeden z tych związków traci elektron, a drugi zyskuje elektron. Na przykład spójrz na poniższy rysunek. Jeśli użyjemy rubryki „Opowieści o energii”, aby przyjrzeć się ogólnej reakcji, możemy porównać charakterystykę reagentów i produktów przed i po. Co dzieje się z materią (rzeczami) przed i po reakcji? PogarszaćA zaczynajako neutralny i naładowany dodatnio. Związek B zaczyna jako obojętny i staje się naładowany ujemnie. Ponieważ elektronysą naładowane ujemnie, możemy śledzić ruch elektronów ze związku A do B, obserwując zmianę ładunku.przegrywaelektron (staje się naładowany dodatnio) i mówimy, że A uległ utlenieniu. Utlenianiejest powiązanyz utratąelektron(s). B zyskuje elektron (staje się naładowany ujemnie) i mówimy, że B uległo redukcji. Zmniejszeniejest powiązanyz zyskiem elektronów. Wiemy też, skoro wydarzyło się coś, co musiała mieć energiazostał przeniesionyi/lub zreorganizowane w tym procesie i wkrótce to rozważymy.

Rysunek 1. Ogólna reakcja red/ox. Pełna reakcja to A + B idzie do A+ + B-.Pokazano dwie reakcje połówkowew niebieskim pudełku. Ajest utlenionyprzez reakcję iB jest redukowane przez reakcję.

Inaczej mówiąc, gdy elektron(s)zgubiony, lubcząsteczka jestutleniony, elektron(s) musi wtedyprzeszedłdo innej cząsteczki. Mówimy, że cząsteczka zdobywająca elektron staje się zredukowany. ***Reakcje utleniania i redukcjizawsze sparowany. Razemte sparowane reakcjesą znanejako an reakcja utleniania-redukcji (nazywana również reakcją red/ox).****

wBis2Aoczekujemy, że zapoznasz się z tą terminologią. Spróbuj się go nauczyć i jak najszybciej naucz się go używać- mybędzie często używał terminów i nie będzie miał czasu na ich definiowanie za każdym razem.

Zapamiętaj definicje:

Połowa reakcja

Aby sformalizować nasze wspólne rozumienie reakcji red/ox, wprowadzamy pojęcie reakcji połówkowej. Pełna reakcja red/ox wymaga dwóch połówkowych reakcji. Możemy myśleć o każdej reakcji połówkowej jako o opisie tego, co dzieje się z jedną z dwóch molekuł biorących udział w pełnej reakcji red/ox. Zilustrujemy to poniżej. W tym przykładzie związek AH jest utleniany przez związek B+; elektrony przemieszczają się z AH do B+ wygenerować A+ i BH. Każda reakcja możebyć pomyślanymjak dwie reakcje połówkowe: gdzie AH jest utleniane i druga reakcja, w której B+ zostaje zredukowany do BH. Te dwie reakcjesą rozważanesprzężony, termin, który pokazuje, że te dwie reakcje zachodzą razem, w tym samym czasie.

Rysunek 2. Ogólna reakcja red/ox, w której związek AH jest utleniany przez związek B+. Każda połówka reakcji reprezentuje pojedynczy rodzaj lub związek, który albo traci, albo zyskuje elektrony (i kolejnaprotonjak pokazano na powyższym rysunku). W połowie reakcji #1 AH traci proton i 2 elektrony: w drugiej połowie reakcji B+ zyskuje 2 elektrony i proton. W tymprzykładHA jest utlenionydo A+ podczasb+jest zmniejszonado BH.

Potencjał redukcji

Umownie analizujemy i opisujemy reakcje red/oxz szacunkiem dopotencjały redukcji, termin, który ilościowo opisuje „zdolność” związku do pozyskiwania elektronów. Ta wartość potencjału redukcjijest zdeterminowanyeksperymentalnie, ale dlacelw tym kursie zakładamy, że czytelnik zaakceptuje, że podane wartości są w miarę poprawne. Możemy antropomorfizować potencjał redukcyjny, mówiąc, że:jest powiązanedo siły, z jaką związek może „przyciągnąć” lub „przyciągnąć” lub „złapać” elektrony.Nic dziwnego, że tojest związana, ale nie identyczna z elektroujemnością.

Jaka jest ta wewnętrzna właściwość przyciągania elektronów?

Różne związki, w oparciu o ich strukturę i skład atomowy, mają samoistne i wyraźne przyciąganie elektronów.Ta jakość jest określanapotencjał redukcji lub E0i jest wielkością względną (w stosunku do niektórych „standard” reakcja). Jeśli testowany związek ma silniejsze „przyciąganie” elektronów niż wzorzec (jeśli oba współzawodniczą, testowany związek „pobiera” elektrony ze standardowego związku), mówimy, że testowany związek ma dodatni potencjał redukcyjny, którego wielkość jest proporcjonalna o ile bardziej "chce" elektronów niż standardowy związek. Względna wytrzymałość związku w porównaniu ze standardemjest mierzonyi zgłaszane w jednostkach Wolty (V)(czasami zapisywane jako elektronowolt lub eV) lub miliwolty(mV). Związkiem odniesienia w większości wież typu red/ox jest H2.


Możliwa dyskusja NB Punkt

Sformułuj sam: Jak opisujesz lub myślisz o różnicy między pojęciem elektroujemności a potencjałem red/ox?


Wieża Czerwony/Wół

Wszystkie rodzaje mieszanek mogą brać udział w czerwonych/

wół

reakcje. Naukowcy opracowali graficzne narzędzie do zestawiania połówkowych reakcji czerwieni/wółu na podstawie ich E0' wartości i pomóc nam przewidzieć kierunek przepływu elektronów między potencjalnymi donorami i akceptorami elektronów. To, czy dany związek może działać jako donor elektronów (reduktor) lub akceptor elektronów (utleniacz), zależy w dużej mierze od tego, z jakim innym związkiem wchodzi w interakcje. Wieża elektronowa zwykle szereguje różne popularne związki (ich reakcje połówkowe) od większości ujemnych E0', związki, które łatwo pozbywają się elektronów, do najbardziej dodatniego E0', związki najprawdopodobniej akceptujące elektrony. Ponadto każda połowa reakcji

jest napisane

umownie z formą utlenioną po lewej stronie/następną formą zredukowaną po prawej stronie ukośnika.
Na przykład piszemy reakcję połówkową na redukcję NAD+ do NADH:
NAD+/NADH. Poniższa wieża podaje również liczbę elektronów, które

są przenoszone

w każdej reakcji. Na przykład redukcja NAD+ do NADH obejmuje dwa elektrony, zapisane w tabeli jako 2e-.

Pokazano biochemiczną wieżę elektronową

poniżej.

forma utleniona

zredukowanyFormularz

n(elektrony)

Eo´ (wolty)

PS1* (wół)

PS1* (czerwony)

-

-1.20

Octan + CO2

pirogronian

2

-0.7

ferredoksyna (wół) wersja 1

ferredoksyna (czerwona) wersja 1

1

-0.7

bursztynian + CO2 + 2 godz+

a-ketoglutaran + H2O

2

-0.67

PSII* (wół)

PSII* (czerwony)

-

-0.67

P840* (wół)

PS840* (czerwony)

-

-0.67

octan

aldehyd octowy

2

-0.6

glicerynian-3-P

aldehyd glicerynowy-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

ferredoksyna (wół) wersja 2

ferredoksyna (czerwona) wersja 2

1

-0.43

WSPÓŁ2

glukoza

24

-0.43

WSPÓŁ2

mrówczan

2

-0.42

2H+

h2

2

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

Uwaga: w [H+] = 1;pH=0Eo' dla wodoru wynosi ZERO. Zobaczysz to na zajęciach z chemii.

α-ketoglutaran + CO2 + 2 godz+

izocytrat

2

-0.38

acetooctan

b-hydroksymaślan

2

-0.35

cystyna

cysteina

2

-0.34

Pirogronian + CO2

jabłczan

2

-0.33

NAD+ + 2 godz+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2 godz+

NADPH + H+

2

-0.32

Kompleks I FMN (związany z enzymem)

FMNH2

2

-0.3

Lipoickwas,(wół)

Kwas liponowy (czerwony)

2

-0.29

1,3 bisfosfoglicerynian + 2H+

aldehyd glicerynowy-3-P + Pi

2

-0.29

Glutation, (wół)

Glutation (czerwony)

2

-0.23

CHWILOWA MODA+ (bezpłatnie) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Aldehyd octowy + 2H+

etanol

2

-0.2

Pirogronian + 2H+

mleczan

2

-0.19

Szczawooctan + 2H+

jabłczan

2

-0.17

α-ketoglutaran + NH4+

glutaminian

2

-0.14

CHWILOWA MODA+ + 2 godz+ (uwiązany)

FADH2 (uwiązany)

2

0.003-0.09

Błękit metylenowy, (wół)

Metylenniebieski,(czerwony)

2

0.01

Fumaran + 2H+

bursztynian

2

0.03

CoQ (ubichinon - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

PQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Kwas dehydroaskorbinowy

kwas askorbinowy

2

0.06

Plastochinon; (wół)

Plastochinon; (czerwony)

-

0.08

ubichinon; (wół)

ubichinon; (czerwony)

2

0.1

Kompleks III Cytochrom b2; Fe3+

Cytochrom b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Kompleks III Cytochrom c1; Fe3+

Cytochrom c1; Fe2+

1

0.22

cytochrom c; Fe3+

cytochrom c; Fe2+

1

0.25

Kompleks IV Cytochroma;Fe3+

Cytochroma;Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

h2O2

2

0.3

P840GS (wół)

PS840GS (czerwony)

-

0.33

Kompleks IV Cytochrom a3; Fe3+

Cytochrom a3; Fe2+

1

0.35

Żelazicyjanek

żelazocyjanek

2

0.36

cytochrom f; Fe3+

cytochrom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (wół)

PSIGS (czerwony)

.

0.37

Azotan

azotyn

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2 godz+

h2O

2

0.816

PSIIGS (wół)

PSIIGS (czerwony)

-

1.10

* PodekscytowanyStan,po zaabsorbowaniu fotonu światła

Stan naziemny GS,stanprzed zaabsorbowaniem fotonu światła

PS1: fotosystem tlenowy I

P840: Centrum reakcji bakteryjnej zawierające bakteriochlorofil (anoksygenny)

PSII: fotosystem tlenowy II

Tabela1. Wspólna wieża Red/ox używana w Bis2A. Za pomocąKonwencjazapisane są reakcje połówkowe wieżyz formą utlenioną związku po lewej stronie i formą zredukowaną po prawej stronie. Związki, które są dobrymi dawcami elektronów, mają wysoce ujemny potencjał redukcyjny. Związki takie jak glukoza i wodór są doskonałymi dawcami elektronów.Dla kontrastu związkiktóre tworzą doskonałe akceptory elektronów, takie jak tlen iAzotynsą doskonałymi akceptorami elektronów.

Wideo na wieży elektronowej

Krótki film o tym, jak korzystać z wieży elektronowej w kolorze czerwonym/wółproblemykliknij tutaj lub poniżej. Ten film został nakręcony przez dr Easlon dla studentów Bis2A. (To jestcałkieminformacyjny.)

Jaki jest związek między E0' oraz G?

Teraz pojawia się pytanie: skąd wiemy, czy w ogóle?danyreakcja red/ox jest energetycznie spontaniczna lub nie (egzergiczna lub endergoniczna) i niezależnie od kierunku, jaka jest różnica energii swobodnej? Odpowiedź tkwi w różnicy potencjałów redukcyjnych obu związków. Różnica potencjału redukcyjnego dla reakcji lub E0' dla reakcji jest różnicą między E0' dla utleniacz (związek odbierający elektrony i powodujący utlenianie drugiego związku) i reduktor (związek tracący elektrony). W naszym ogólnym przykładzie poniżej AH jest reduktorem, a B+ jest utleniaczem. Elektrony przemieszczają się z AH do B+. Korzystanie z E0' -0,32 dla reduktora i +0,82 dla utleniacza całkowita zmiana E0' lub E0' wynosi 1,14 eV.

Rysunek 3. Ogólna reakcja red/ox z połówkowymi reakcjami zapisanymi za pomocązmniejszeniepotencjał (E0') z dwóch połówkowych reakcjiwskazany.

Zmiana w ΔE0' koreluje ze zmianami w Energia swobodna Gibbsa, ΔG.Ogólnieduży dodatni ΔE0' jest proporcjonalna do dużego ujemnego ΔG. Reakcje są egzergiczne i spontaniczne. Aby reakcja była egzergiczna, musi mieć ujemną zmianę energii swobodnej lub -ΔG, będzie to odpowiadać pozytywowi E0'.Innymi słowy, kiedyelektrony płyną „w dół” w reakcji red/ox ze związku o niższym (bardziej ujemnym) potencjale redukcyjnym do drugiego związku o większym (bardziej dodatnim) potencjale redukcyjnym, uwalniają energię swobodną. Im większe napięcie, mi0', między tymi dwoma składnikami, tym większa energia dostępna, gdy następuje przepływ elektronów. W rzeczywistości możliwe jest ilościowe określenie ilości dostępnej energii swobodnej. Zależność podaje równanie Nernsta:

Rysunek 4. Równanie Nernsta wiąże energię swobodną reakcji red/ox z różnicą potencjału redukcyjnego między zredukowanymi produktami reakcji a utlenionym reagentem.
Atrybucja:Marc T. Facciotti

Gdzie:

  • nto liczba moli przeniesionych elektronów
  • F jest stałą Faradaya 96,485 kJ/V. Czasami tojest podawanyw jednostkach kcal/V, czyli 23,062 kcal/V, czyli ilość energii (w kJ lub kcal) uwolnionej, gdy jeden mol elektronów przechodzi przez spadek potencjału o wartości 1wolt

Notatka:

Należy zauważyć, że ΔG i ΔE mają odwrotną zależność: gdy ΔG jest dodatnie, ΔE jest ujemne, a gdy ΔG jest ujemne, ΔE jest dodatnie. Więcej informacji można znaleźć w dyskusji na temat czerwonych i wół w Podręczniku dyskusyjnym Bis2A.

Wprowadzenie do mobilnych nośników energii

Podsumowanie sekcji

Energia porusza się i przenosi w komórce na różne sposoby. Jednym z kluczowych mechanizmów opracowanych przez naturę jest wykorzystanie nadających się do recyklingu molekularnych nośników energii. Chociaż istnieje kilka głównych nadających się do recyklingu nośników energii, wszystkie mają wspólne cechy funkcjonalne:

Właściwości kluczowych komórkowych nośników energii molekularnej

  • Myślimy o nośnikach energii jako istniejących w „basenach”do dyspozycjiprzewoźników. Można przez analogię uznać te mobilne nośniki energii za analogiczne do pojazdów dostawczych przewoźników paczek – firma ma pewną „pulę”do dyspozycjipojazdy w dowolnym momencie do odbioru i dostawy.
  • Każdy indywidualny przewoźnik w puli może istnieć w jednym z wielu różnych stanów: jestalboniosący „ładunek” energii, ładunek ułamkowy lub jest „pusty”. Cząsteczka może przekonwertować między „załadowaną” a pustą, a zatem może:poddać się recyklingowi. I znowu przez analogię, pojazdy dostawcze mogą być:albonosić paczki lub być pustym i przełączać się między tymi stanami.
  • Równowaga lub stosunek w puli między „obciążonymi” i „nieobciążonymi” nośnikami jest ważny dla funkcji komórkowej,jest regulowanyprzez komórkę i często może nam powiedzieć coś o stanie komórki. Podobnie firma kurierska pilnuje, jak pełne lub puste są ich pojazdy dostawcze – jeśli są zbyt pełne, może być niewystarczająca liczba „pustych” ciężarówek do odbioru nowych paczek; jeśli są zbyt puste, interesy nie mogą iść dobrze, albo zamykają je. W różnych sytuacjach istnieje odpowiednia równowaga.

Na tym kursie zbadamy dwa główne typy molekularnych nośników energii nadających się do recyklingu: (1) nukleotydy adeninowe: dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+), bliski krewny, fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP+), oraz dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD2+) oraz (2) mono-, di- i trifosforany nukleotydów, ze szczególnym uwzględnieniem trifosforan adenozyny (ATP). Te dwa rodzaje cząsteczekuczestniczyćw różnych reakcjach transferu energii. Nukleotydy adeninowe kojarzymy przede wszystkim z chemią red/ox, a trifosforany nukleotydów z transferami energii związanymi z hydrolizą lub kondensacją fosforanów nieorganicznych.

Czerwony/Wółchemia i nośniki elektronów

Utlenianie lub usunięcie elektronu z cząsteczki (bez względu na to, czy towarzyszy mu usunięcie towarzyszącego protonu, czy nie) powoduje zmianę energii swobodnej dla tej cząsteczki — materia, energia wewnętrzna i entropia uległy zmianie. Podobnie redukcja cząsteczki zmienia również jej energię swobodną. Wielkość zmiany energii swobodnej i jej kierunek (dodatni lub ujemny) dla reakcji red/ox dyktuje spontaniczność reakcji i ilość energii, którą przekazuje. W układach biologicznych, w których znaczna część transferu energii zachodzi poprzez reakcje red/ox, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób te reakcjesą mediowanei rozważyć pomysły lub hipotezy, dlaczego te reakcjesą mediowanenajczęściej przez małą rodzinę nośników elektronów.

Uwaga: WYZWANIE PROJEKTOWE

Problem, o którym wspomniano w poprzednim pytaniu do dyskusji, to świetne miejsce na wprowadzenie rubryki wyzwania projektowego. Jeśli sobie przypominasz, pierwszy krok w rubryce prosi o zdefiniowanie problemu lub pytania. Tutaj wyobraźmy sobie, że istnieje problem do zdefiniowania, dla którego ruchome nośniki elektronów poniżej pomogły Naturze rozwiązać.

***Pamiętaj, ewolucja NIE PRZYSŁUGUJE inżynieryjnych rozwiązań problemów, ale z perspektywy czasu możemy użyć naszej wyobraźni i logiki, aby wywnioskować, że to, co widzimy zachowane przez dobór naturalny, zapewnia selektywną przewagę, ponieważ naturalna innowacja „rozwiązuje” problem ten ograniczony sukces.***

Wyzwanie projektowe dla przewoźników red/ox

  • Jaki był problem(s) że ewolucja mobilnych nośników elektronów pomogła rozwiązać?
  • Kolejny etap wyzwania projektowego polega na określeniu kryteriów udanych rozwiązań. Jakie są kryteria sukcesu w przypadku zidentyfikowanego problemu?
  • Krok 3 w wyzwaniu projektowym prosi o zidentyfikowanie rozwiązań. Cóż, tutaj Natura zidentyfikowała dla nas niektóre – rozważymy trzy w poniższym czytaniu. Wygląda na to, że Natura cieszy się, że ma wiele rozwiązań tego problemu.
  • Przedostatni krok w rubryce wyzwania projektowego prosi o przetestowanie proponowanych rozwiązań pod kątem kryteriów sukcesu. To powinno sprawić, że zastanowisz się / przedyskutujesz, dlaczego istnieje wiele różnych nośników elektronów. Czy istnieją różne kryteria sukcesu? Czy każdy z nich rozwiązuje nieco inne problemy? Co myślisz? Wypatruj wskazówek, gdy przechodzimy przez metabolizm.

NAD+/H i FADH/H2

W żywych układach niewielka klasa związków działa jako transportery elektronów: wiążą i przenoszą elektrony między związkami na różnych szlakach metabolicznych. Główne nośniki elektronów, które rozważymy, pochodzą z grupy witamin B i nukleotydów. Związki te mogą zarówno zostać zredukowane (to znaczy przyjąć elektrony), jak i utlenione (tracą elektrony) w zależności od potencjału redukcyjnego potencjalnego donora lub akceptora elektronów, do którego mogą przenosić elektrony iz. Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+) (poniżej pokazujemy strukturę) pochodzi z witaminy B3, niacyna. NAD+ jest utlenioną formą cząsteczki; NADH jest zredukowaną formą cząsteczki po przyjęciu dwóch elektronów i protonu (które razem są odpowiednikami atomu wodoru z dodatkowym elektronem).

Oczekujemy, że zapamiętasz dwie formy NAD+/NADH, wiedz, jaka formajest utlenionyi którajest zmniejszona, i być w stanie rozpoznać każdą formę na miejscu w reakcji chemicznej.

NAD+ może przyjmować elektrony z cząsteczki organicznej zgodnie z ogólnym równaniem:

Oto przegląd słownictwa: kiedy elektronysą dodanedo związku, mówimyzwiązek zostałzredukowany. Związek, który redukuje (oddaje elektrony) innymnazywa sięa Środek redukujący. W powyższym równaniu RH jest środkiem redukującym, a NAD+ zostaje zredukowany do NADH. Kiedy elektrony opuszczają związek, ulega on utlenieniu. Związek, który utlenia innynazywa sięjakiś Środek utleniający. W powyższym równaniu NAD+ jest środkiem utleniającym iRH jest utlenionedo R. Innymi słowy, środek redukujący ulega utlenieniu, a środek utleniający zostaje zredukowany.

Musisz to zejść! Przetestujemy (a) konkretnie Twoją zdolność do tego (jako „łatwe” pytania) i (b) użyjemy terminówz oczekiwaniem, żewiesz, co oznaczają i potrafisz poprawnie odnieść je do reakcji biochemicznych (na zajęciach i na testach).

Spotkasz także drugą odmianę NAD+, NADP+. Jest strukturalnie bardzo podobny do NAD+, ale zawiera dodatkową grupę fosforanową i odgrywa ważną rolę w reakcjach anabolicznych, takich jak fotosynteza. Kolejny nośnik elektronów oparty na nukleotydach, z którym również spotkasz się na tym kursie i nie tylko, dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD+), pochodzi z witaminy B2, zwany także ryboflawiną. Jego zredukowana forma to FADH2. Naucz się rozpoznawać te cząsteczki jako nośniki elektronów.

Rysunek 1. Utleniona forma nośnika elektronów (NAD+)jest pokazanepo lewej stronie, a forma zredukowana (NADH)jest pokazanepo prawej. Zasada azotowa w NADH ma o jeden jon wodorowy więcej i dwa elektrony więcej niż w NAD+.

Komórka wykorzystuje NAD+ do „wyciągania” elektronów ze związków i „przenoszenia” ich do innych miejsc w komórce;zatemnazywamy to i nośnik elektronów. Wiele procesów metabolicznych omówimy wtenklasa obejmuje NAD(P)+związki /H. Na przykład w postaci utlenionej NAD+ jest stosowany jako reagent w glikolizie i cyklu TCA, natomiast w postaci zredukowanej (NADH) jest reagentem w reakcjach fermentacji i łańcuchach transportu elektronów (ETC). Każdy z tych procesów omówimy w kolejnych modułach.

Historia energetyczna dla reakcji red/ox

***Z regułykciuk, kiedy widzimy NAD+/H jako reagent lub produkt, wiemy, że patrzymy na reakcję red/ox.***

Kiedy NADH jest produktem, a NAD+ jest reagentem, wiemy, że NAD+ został zredukowany (tworząc NADH);dlatego, drugi reagent musiał być dawcą elektronów i ulec utlenieniu. Odwrotna sytuacja również jest prawdziwa. Jeśli NADH stał się NAD+, to drugi reagent musiał uzyskać elektron z NADH i zostać zredukowany.

Rysunek 2. Ta reakcja pokazuje konwersję pirogronianu do kwasu mlekowego połączoną z konwersją NADH do NAD+. Źródło: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/section_reactions

Na powyższym rysunku widzimy, jak pirogronian staje się kwasem mlekowym, w połączeniu z konwersją NADH w NAD+. LDH katalizuje tę reakcję. Stosując naszą „zasadę kciuka” powyżej, klasyfikujemy tę reakcję jako reakcję red/ox. NADH jest zredukowaną formą nośnika elektronów, a NADH jest przekształcany w NAD+. Ta połowa reakcji powodujeutlenianie elektronuprzewoźnik. W tej reakcji pirogronian jest przekształcany w kwas mlekowy. Oba cukrysą naładowane ujemnie, więc trudno byłoby zobaczyć, który związek jest bardziej redukowany przy użyciu ładunków związków. Wiemy jednak, że pirogronian został zredukowany do kwasu mlekowego, ponieważta konwersja jest połączonado utleniania NADH do NAD+. Ale jak możemy stwierdzić, że kwas mlekowy jest bardziej zredukowany niż pirogronian? Odpowiedzią jest przyjrzenie się wiązaniom węgiel-wodór w obu związkach. Gdy elektrony przenoszą się,często towarzyszyprzez atom wodoru. Pirogronian maŁącznietrzy wiązania C-H, podczas gdy kwas mlekowy ma cztery wiązania C-H. Kiedy porównamy te dwa związki w stanach przed i po, widzimy, że kwas mlekowy ma jeszcze jedno wiązanie CH; dlatego kwas mlekowy jest bardziej zredukowany niż pirogronian. Dotyczy to wielu związków. Na przykład na poniższym rysunku powinieneś być w stanie uszeregować związki od najbardziej do najmniej zredukowanych, używając wiązań C-H jako przewodnika.

Rysunek 3. Powyżej znajduje się seria związków niż możebyć w rankingulub zreorganizowane od większości do najmniej zredukowanych. Porównaj liczbę wiązań C-H w każdym związku. Dwutlenek węgla nie ma wiązań C-H i jest najbardziej utlenioną formą węgla, jaką omówimy w tej klasie. Odpowiedź:tennajbardziej zredukowany jest metan (związek 3), następnie metanol (4), formaldehyd (1), kwas karboksylowy (2) i wreszcie dwutlenek węgla (5).

Rysunek 4. Ta reakcja pokazuje konwersję G3P, NAD+, i pi na NADH i 1,3-BPG. Ta reakcjajest katalizowanyprzez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową.

Historia energetyczna reakcjikatalizowanyza pomocą dehydrogenaza aldehydo-3-glicerynowa:

Zróbmy historię energetyczną dla powyższej reakcji.

Najpierw scharakteryzujmy reagenty i produkty. Reagentami są 3-fosforan gliceraldehydu (związek węgla), Pi (fosforan nieorganiczny) i NAD+. Te trzy reagenty wchodzą w reakcję chemiczną, aby wytworzyć dwa produkty, NADH i 1,3-bisfosfoglicerynian. Jeśli przyjrzysz się uważnie, zobaczysz, że 1,3-BPG zawiera dwa fosforany. Jest to ważne, ponieważ reakcja chemiczna nie powinna tracić masy między początkiem a końcem. W reagentach znajdują się dwa fosforany, więc w produktach muszą być dwa fosforany (zachowanie masy!). Możesz dokładnie sprawdzićksięgowośćmasy dla wszystkich innych atomów. Powinno również poprawnie zestawić tabelę. Enzym zwany dehydrogenazą gliceraldehydo-3-fosforanu, który katalizuje tę reakcję. Standardowa zmiana energii swobodnej tej reakcji wynosi ~6,3 kJ/mol, więc w standardowych warunkach możemy powiedzieć, że energia swobodna produktów jest wyższa niż w przypadku reagentów i że reakcja ta nie jest spontaniczna w standardowych warunkach.

Co możemy powiedzieć o tej reakcji, gdyjest katalizowanyprzez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową?

To jest reakcja red/ox. Wiemy to, ponieważ jako produkt wyprodukowaliśmy zredukowany nośnik elektronów (NADH) oraz NAD+ jest reagentem. Skąd wziął się elektron, aby wytworzyć NADH? Elektron musiał pochodzić z innego substratu (związek węgla).

ATP

Ważnym związkiem chemicznym jest trójfosforan adenozyny (ATP). Główna komórkowa rola ATP polega na „krótkoterminowym” transferze energii do komórki. Reakcje hydrolizy, które uwalniają jeden lub więcej fosforanów ATP, są egzergiczne i wiele, wiele białek komórkowych wyewoluowało do interakcji z ATP w sposób, który ułatwia przenoszenie energii z hydrolizy do niezliczonych innych funkcji komórkowych. W ten sposób ATP jest często nazywany „walutą energetyczną” komórki: ma rozsądnie ustalone wartości energii do przeniesienia do lub z siebie i może wymieniać tę energię między wieloma potencjalnymi dawcami i akceptorami. Zobaczymy wiele przykładów ATP „w pracy” w komórce, więc szukaj ich. Jak je widzisz, spróbuj myśleć o nich jako o funkcjonalnych przykładach zastosowań Natury dla ATP, które:mógłbyśoczekiwaćzobaczyć w innej reakcji lub kontekście.

Struktura i funkcja ATP

Nasercem ATP jest nukleotyd zwany monofosforanem adenozyny (AMP). Podobnie jak inne nukleotydy,AMP składa sięzasady azotowej (cząsteczki adeniny) związanej z cząsteczką rybozy i pojedynczą grupą fosforanową. Dodanie drugiej grupy fosforanowej do tej cząsteczki rdzenia powoduje powstanie difosforanu adenozyny (ADP); dodanie trzeciej grupy fosforanowej tworzy adenozynotrifosforan (ATP).


Rysunek 1. ATP (adenozynotrójfosforan) ma trzy grupy fosforanowe, które mogą:zostać usuniętymprzez hydrolizę z wytworzeniem ADP (difosforan adenozyny) lub AMP (monofosforan adenozyny).

ten fosforylacja (lub kondensacja grup fosforanowych do AMP) jest procesem endodontycznym.Natomiasthydroliza jednej lub dwóch grup fosforanowych z ATP, proces zwany defosforylacja, jest egzergiczny. Czemu? Przypomnijmy, że terminy endergoniczny i egzergiczny odnoszą się do znaku różnicy energii swobodnej reakcji między produktami a reagentami, ΔG. Tutaj wyraźnie przypisujemy kierunek reakcji, albo w kierunku fosforylacji, albo defosforylacji nukleotydu. W reakcji fosforylacji reagentami są nukleotyd i nieorganiczny fosforan, podczas gdy produktami są fosforylowany nukleotyd i WODA. W reakcji defosforylacji/hydrolizy reagentami są fosforylowany nukleotyd i WODA, podczas gdy produktami są nieorganiczny fosforan i nukleotyd minus jeden fosforan.

Ponieważ energia swobodna Gibbsa jest funkcją stanu, nie ma znaczenia, jak przebiega reakcja; bierzesz pod uwagę tylko stan początkowy i końcowy. Jako przykład przeanalizujmy hydrolizę ATP. Reagenty ATP i woda charakteryzują się składem atomowym i rodzajem wiązań między atomami składowymi. Możemy powiązać pewną energię swobodną z każdym z wiązań i ich możliwymi konfiguracjami – podobnie dla produktów. Jeśli przyjrzymy się reakcji z punktu widzenia produktów i reagentów i zapytamy „jak możemy zrekombinować atomy i wiązania w reagentach, aby uzyskać produkty?”, stwierdzimy, że wiązanie fosfobezwodnikowe między tlenem a fosforem musi zostać zerwane w ATP, wiązanie między tlenem a wodorem musi zostać zerwane w wodzie, musi zostać utworzone wiązanie między OH (pochodzącym z rozszczepienia wody) a fosforem (z uwolnionego PO3-2), a wiązanie musi być utworzony między H (pochodzącym z rozszczepienia wody) a końcowym tlenem na fosforylowanym nukleotydzie. To suma energii związanych ze wszystkimi tymi przegrupowaniami wiązań (w tym bezpośrednio związanych z wodą) sprawia, że ​​ta reakcja jest egzoergiczna. Podobną analizę moglibyśmy przeprowadzić z odwrotną reakcją.

Czy jest coś szczególnego w konkretnych wiązaniach zaangażowanych w te molekuły? Wiele mówi się w różnych tekstach na temat rodzajów wiązań między fosforanami ATP. Z pewnością właściwości wiązań w ATP pomagają określić energię swobodną i reaktywność cząsteczki. Jednakże, chociaż właściwe jest zastosowanie w tej dyskusji takich pojęć, jak gęstość ładunku i dostępność struktur rezonansowych, to przedstawianie tych terminów jako „wyjaśnienia” bez dogłębnego zrozumienia, w jaki sposób te czynniki wpływają na energię swobodną substratów, jest szczególnym rodzajem machanie rękami, w które nie powinniśmy się angażować. Większość studentów BIS2A nie miała żadnej chemii w college'u, a ci, którzy mieli, prawdopodobnie nie omawiali tych terminów w jakikolwiek znaczący sposób. Tak więc wyjaśnienie procesu za pomocą powyższych pomysłów daje tylko fałszywe poczucie zrozumienia, przypisuje pewną mistyczną jakość ATP i jego „specjalnym” wiązaniom, które nie istnieją, i odwraca uwagę od rzeczywistego punktu: reakcja hydrolizy jest egzoergiczna z powodu właściwości ATP i RÓWNIEŻ ze względu na właściwości chemiczne wody i produktów reakcji. W przypadku tej klasy wystarczy wiedzieć, że wyspecjalizowani fizykochemicy nadal badają proces hydrolizy ATP w roztworze i w kontekście białek i że wciąż starają się wyjaśnić kluczowe składniki entalpiczne i entropowe energii swobodnej składników. Musimy tylko zaakceptować pewien stopień mechanistycznej ignorancji chemicznej i zadowolić się opisem ogólnych właściwości termodynamicznych. Ta ostatnia jest w zupełności wystarczająca do głębokich dyskusji na temat odpowiedniej biologii.

Obligacje „wysokoenergetyczne”

A co z terminem „wiązki wysokoenergetyczne”, który tak często słyszymy w związku z ATP? Jeśli nie ma nic „specjalnego” w wiązaniach w ATP, dlaczego zawsze słyszymy określenie „wiązania wysokoenergetyczne” związane z cząsteczką? Odpowiedź jest zwodniczo prosta. W biologii termin „wiązanie wysokoenergetyczne” jest używany do opisania reakcji egzoergicznej obejmującej hydrolizę danego wiązania, która skutkuje „dużą”, ujemną zmianą energii swobodnej. Pamiętaj, że ta zmiana energii swobodnej ma związek nie tylko z danym wiązaniem, ale raczej z sumą wszystkich przegrupowań wiązań w reakcji. Co stanowi dużą zmianę? Jest to raczej arbitralne zadanie, zwykle związane z ilością energii związaną z typami reakcji anabolicznych, które zwykle obserwujemy w biologii. Jeśli jest coś szczególnego w wiązaniach w ATP, nie jest to jednoznacznie związane ze swobodną energią hydrolizy, ponieważ istnieje wiele innych wiązań, których hydroliza powoduje większe ujemne różnice w energii swobodnej.


Rysunek 2. Swobodną energię hydrolizy różnych typów wiązań można porównać do energii hydrolizy ATP. Źródło: http://bio.libretexts.org/Core/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP


Tabela 1. Tabela powszechnych komórkowych cząsteczek fosforylowanych i ich odpowiednich energii swobodnych hydrolizy.

Link zewnętrzny omawiający energetykę sprzęgania hydrolizy ATP z innymi reakcjami


Możliwa dyskusja NB Punkt

Właśnie przeczytałeś o dwóch ważnych cząsteczkach: NADH/NAD+ i ATP. W jakich biologicznych kontekstach/procesach spodziewasz się zobaczyć NADH/NAD+? A co z ATP? Czy możesz powiedzieć, co wiesz do tej pory o związku między NADH/NAD+ i ATP? Poświęć chwilę, aby zidentyfikować wszelkie luki w zrozumieniu, jakie możesz mieć – jakie pytania pozostały Ci po przeczytaniu tekstu? Pomóż swoim rówieśnikom z ich pytaniami/dyskusjami, aby wzmocnić swoją wiedzę!


Kolarstwo basenów ATP

Szacunki dotyczące liczby cząsteczek ATP w typowej komórce ludzkiej wahają się od ~3x107 (~5x10-17 moli ATP/komórkę) w krwinkach białych do 5x109 (~9x10-15 moli ATP/komórkę) w aktywnej komórce rakowej. Chociaż te liczby mogą wydawać się duże i już zdumiewające, weź pod uwagę, że szacuje się, że ta pula ATP zmienia się (staje się ADP, a następnie wraca do ATP) 1,5 razy na minutę. Rozszerzenie tej analizy daje oszacowanie, że ten dzienny obrót wynosi z grubsza równowartość jednej masy ciała ATP, która ulega zmianie na dzień.Oznacza to, że gdyby nie doszło do obrotu/recyklingu ATP, do funkcjonowania ludzkiego ciała potrzebny byłby jeden ciężar ciała ATP, stąd nasza poprzednia charakterystyka ATP jako „krótkoterminowego” urządzenia do transferu energii dla komórki.

Chociaż pula ATP/ADP może zostać poddana recyklingowi, część energii, która jest przekazywana w wielu przemianach między ATP, ADP i innymi biocząsteczkami, jest również przenoszona do środowiska. Aby utrzymać rezerwy energii w komórkach, energia musi również przenosić się ze środowiska. Skąd pochodzi ta energia? Odpowiedź w dużej mierze zależy od tego, gdzie energia jest dostępna i jakie mechanizmy wyewoluowała Natura, aby przekazywać energię ze środowiska do nośników molekularnych, takich jak ATP. Jednak prawie we wszystkich przypadkach mechanizm transferu ewoluował i obejmuje pewną formę chemii redoks.

W tym i następnych sekcjach zajmujemy się poznawaniem kilku krytycznych przykładów transferu energii ze środowiska, kluczowych rodzajów chemii i reakcji biologicznych zaangażowanych w ten proces oraz kluczowych reakcji biologicznych i komponentów komórkowych związanych z przepływem energii między różnymi częściami żywy system. Skupiamy się najpierw na reakcjach związanych z (re)generacją ATP w komórce (nie tych związanych z tworzeniem samego nukleotydu, ale raczej tych związanych z przeniesieniem fosforanów na AMP i ADP).

Link do wideo

Z innej perspektywy - w tym miejsca, w których zobaczysz ATP w Bis2a, obejrzyj ten film (10 minut), klikając tutaj.

Jak komórki generują ATP?

W ciągu 3,25 miliarda lat ewolucji pojawiło się wiele różnych mechanizmów tworzenia ATP z ADP i AMP. Większość tych mechanizmów to modyfikacje dotyczące dwóch tematów: bezpośredniej syntezy ATP lub pośredniej syntezy ATP z dwoma podstawowymi mechanizmami znanymi odpowiednio jako sfosforylacja na poziomie substratu (SLP) oraz fosforylacja oksydacyjna. Oba mechanizmy opierają się na reakcjach biochemicznych, które przenoszą energię z jakiegoś źródła energii do ADP lub AMP w celu syntezy ATP. Tematy te mają charakter merytoryczny, dlatego zostaną szczegółowo omówione w kilku kolejnych modułach.



Uwagi:

  1. Pascual

    W żadnym wypadku

  2. Adniel

    Dołączam się. Wszystko powyższe jest prawdą. Omówmy ten problem. Tutaj lub o godz.

  3. Hacket

    Między nami, moim zdaniem, jest to oczywiste. Radzę spróbować google.com

  4. Shaktilar

    Taki słodki))

  5. Pat

    Moim zdaniem się myli. Jestem pewien. Spróbujmy o tym omówić. Napisz do mnie w PM, mów.

  6. Tutaur

    Kompletny zły smak

  7. Mordechai

    Przepraszam, ale moim zdaniem popełniasz błąd.

  8. Jawad

    Moim zdaniem popełniane są błędy. Musimy przedyskutować. Napisz do mnie na PW, to do Ciebie mówi.



Napisać wiadomość