ข้อมูล

2020_Spring_Bis2A_Facciotti_Lecture_12 - ชีววิทยา

2020_Spring_Bis2A_Facciotti_Lecture_12 - ชีววิทยา



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.

เป้าหมายการเรียนรู้ที่เกี่ยวข้องกับ 2020_Spring_Bis2A_Facciotti_Lecture_12

  • กำหนดปฏิกิริยารีดอกซ์และระบุปฏิกิริยารีดอกซ์ทางชีววิทยาทั่วไป
  • ให้สารรีดอกซ์ปฏิกิริยาระบุตัวรีดิวซ์ออกซิไดซ์ตัวแทน,โมเลกุลที่กลายเป็นออกซิไดซ์และสปีชีส์ลดลง ระบุชนิดของอิเล็กตรอน(s) “เริ่ม”ใน,และชนิดใดที่มัน "ไป"
  • เขียนสมการเคมีผสมเมื่อได้รับปฏิกิริยารีดอกซ์ครึ่งปฏิกิริยา
  • คำนวณ Δอี0สำหรับที่ให้ไว้ปฏิกิริยารีดอกซ์โดยใช้สมการ Δอี0’ = อี0(ออกซิไดซ์) - อี0(รีดักชั่น)
  • ทำนายว่าการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนตามทิศทางระหว่างสารเคมีสองชนิดนั้นเป็นเอนเดอร์โกนิกหรือเอ็กซ์เซอร์โกนิกโดยใช้แนวคิดของศักย์รีดอกซ์ให้ข้อมูล.
  • เชื่อมโยงเชิงคุณภาพความแตกต่างในศักย์รีดอกซ์กับเดลต้าที่สอดคล้องกันของกิ๊บส์เอนทาลปี
  • กำหนดตัวแปรแต่ละตัวและบทบาทในสมการ: ΔG0= -nFΔE0.
  • แปลงระหว่าง ΔG0 และ ΔE0 สำหรับที่ให้ไว้ปฏิกิริยารีดอกซ์โดยใช้สมการ ΔG0’ = -nFΔE0.
  • เล่าเรื่องเกี่ยวกับพลังงานสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ใช้ตัวพาอิเล็กตรอน NAD+/NADH เป็นสารตั้งต้นที่สองในรูปแบบทั่วไปปฏิกิริยาโครงการ:AH + NAD+ -> A + NADH
  • ระบุ NAD+ จากโครงสร้างโมเลกุลและระบุกลุ่มฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับหน้าที่ของมันคือตัวออกซิไดซ์หรือตัวรีดิวซ์
  • สร้างอาร์กิวเมนต์ทางอุณหพลศาสตร์สำหรับวิธีที่ ATP ไฮโดรไลซิสสามารถทำได้อยู่คู่กันเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยา endergonic
  • อธิบายการมีส่วนร่วมที่สำคัญของน้ำในการพิจารณาด้านลบ ΔG0 ของการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟซานไฮไดรด์ใน ATP

เมแทบอลิซึมใน BIS2A

เมแทบอลิซึมของเซลล์คิดเป็นประมาณ 1/3 ของหลักสูตร BIS2A คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีทั่วไปที่มีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างโมเลกุลของชีวิตและเกี่ยวกับโหมดหลักที่แตกต่างกันของการถ่ายโอนพลังงานที่คุณจะพบบ่อยในชีววิทยา เรื่องราวด้านพลังงานและรูบริกความท้าทายด้านการออกแบบที่นำมาใช้ก่อนหน้านี้จะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในโมดูลสองสามโมดูลถัดไปและต่อๆ ไป

เราได้เรียนรู้อะไรบ้าง? จะเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญอย่างไร?

  1. เราได้มุ่งเน้นไปที่การระบุและคุณสมบัติทางเคมีของกลุ่มหน้าที่ทางชีวภาพทั่วไป ขณะที่เราดำดิ่งสู่เมแทบอลิซึม วิธีนี้จะช่วยให้คุณคุ้นเคยและบางครั้งถึงกับทำนายลักษณะทางเคมี/ปฏิกิริยาของสารประกอบที่คุณไม่เคยเห็นมาก่อน
  2. เราได้ฝึกฝนการจำแนกและจำแนกโมเลกุลออกเป็นสี่กลุ่มหน้าที่หลัก สิ่งนี้จะช่วยคุณเมื่อเราพูดถึงวิธีสร้างและสลายโมเลกุลเหล่านี้
  3. เราได้เรียนรู้อุณหพลศาสตร์พื้นฐานแล้ว สิ่งนี้ทำให้เรามีชุดแนวคิดทั่วไปที่จะอภิปรายว่าปฏิกิริยาหรือกระบวนการทางชีวเคมีมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นหรือไม่ และหากเป็นเช่นนั้นไปในทิศทางใดและรวดเร็วเพียงใด สิ่งนี้จะมีความสำคัญเมื่อเราพิจารณาปฏิกิริยาสำคัญบางอย่างที่เกิดขึ้นในการเผาผลาญ
  4. เราได้เรียนรู้และฝึกฝนรูบริกเรื่องพลังงาน สิ่งนี้จะช่วยให้เราศึกษาปฏิกิริยาทางชีวเคมีใหม่ๆ และอภิปรายด้วยภาษาและวิธีการทั่วไปที่สอดคล้องกันที่ยังตอกย้ำบทเรียนที่เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์อีกด้วย

ภาพรวมของส่วนนี้

  • เราจะมาแนะนำแนวคิดสำคัญที่เรียกว่า การลดน้อยลงศักยภาพ และคุณจะได้รับโอกาสในการใช้หอคอยรีดอกซ์ นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายเกี่ยวกับเคมีรีดอกซ์ในคู่มือการสนทนาของคุณ ใช้ทรัพยากรทั้งสอง
  • เราจะแนะนำผู้เล่นหลักสองคนในการเผาผลาญ ATP และ NADH เราคาดหวังให้คุณเข้าใจโครงสร้างของพวกเขาหากแสดงในข้อสอบ
  • เราจะครอบคลุมกระบวนการเผาผลาญไกลโคไลซิส โปรดทราบว่าเราต้องการให้คุณดูปฏิกิริยาใดๆ และบอกเล่าเรื่องราวเกี่ยวกับพลังงานของปฏิกิริยานั้นให้เราทราบ คุณไม่ควรพยายามจดจำเส้นทางเหล่านี้ (แม้ว่าจะช่วยในการจำภาพรวมบางส่วน แต่เราจะเน้นสิ่งเหล่านี้) บ่อยครั้งที่เราจะให้เส้นทางแก่คุณในการสอบ ไกลโคลิซิสสร้าง 2 ATP ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าฟอสโฟรีเลชั่นระดับซับสเตรต, NADH 2 ตัวและสารประกอบไพรูเวต 2 ตัว
  • เราจะใช้ปฏิกิริยาของวัฏจักร TCA เพื่อสร้างตัวอย่างเรื่องราวเกี่ยวกับพลังงานหลายตัวอย่าง วัฏจักร TCA จะผลิต ATP, NADH และออกซิไดซ์กลูโคสให้เป็น CO . มากขึ้น2.
  • เราจะพิจารณาทางเลือกอื่นของวัฏจักร TCA คือการหมัก ที่นี่เป็นครั้งแรกที่เราจะได้เห็น NADH ใช้เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาเมแทบอลิซึม
  • เราจะติดตาม NADH จนจบการเดินทาง เนื่องจากมันบริจาคอิเล็กตรอนให้กับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (ETC) ในโมดูลนี้ คุณจะต้องใช้รีดอกซ์ทาวเวอร์ ETC ทำให้เกิดการไล่ระดับโปรตอน ไม่มี ATPถูกสร้างขึ้นโดยตรงในกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม การไล่ระดับโปรตอนใช้แล้วโดยเซลล์เพื่อเรียกใช้เอนไซม์ที่เรียกว่า ATP synthase ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาปฏิกิริยา ADP + Pi -> ATP วิธีการผลิตเอทีพีนี้ (เรียกว่าออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน) ส่งผลให้มีการผลิตเอทีพีมากกว่าผ่านฟอสโฟรีเลชันระดับสารตั้งต้น
  • และสุดท้าย เราจะเข้าสู่กระบวนการสังเคราะห์แสง

ปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชัน

ในชั้นนี้ . ส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน/รีดักชัน ที่เราพูดถึงเกิดขึ้นในเส้นทางการเผาผลาญหักลงไปเป็นส่วนเล็กๆ แล้วประกอบกลับเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้น

มาเริ่มด้วยปฏิกิริยาทั่วไปกัน

การถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสารประกอบทั้งสองส่งผลให้สารประกอบเหล่านี้สูญเสียอิเล็กตรอนและสารประกอบหนึ่งได้รับอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น ดูรูปด้านล่าง หากเราใช้รูบริกเรื่องพลังงานเพื่อดูปฏิกิริยาโดยรวม เราสามารถเปรียบเทียบลักษณะก่อนและหลังของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ได้ เกิดอะไรขึ้นกับเรื่อง (สิ่งของ) ก่อนและหลังปฏิกิริยา? สารประกอบการเริ่มต้นเป็นกลางและมีประจุบวก สารประกอบ B เริ่มที่เป็นกลางและกลายเป็นประจุลบ เพราะอิเล็กตรอนมีประจุลบเราสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากสารประกอบ A ถึง B โดยดูจากการเปลี่ยนแปลงของประจุแพ้อิเล็กตรอน (กลายเป็นประจุบวก) และเราบอกว่า A กลายเป็นออกซิไดซ์ ออกซิเดชันมีความเกี่ยวข้องกับการสูญเสียอิเล็กตรอน(NS). B ได้รับอิเล็กตรอน (กลายเป็นประจุลบ) และเราบอกว่า B ลดลง การลดน้อยลงมีความเกี่ยวข้องด้วยการรับอิเล็กตรอน เรารู้ด้วยว่าเมื่อมีบางอย่างเกิดขึ้นที่พลังงานต้องมีโอนแล้วและ/หรือจัดระเบียบใหม่ในกระบวนการนี้ และเราจะพิจารณาเรื่องนี้ในไม่ช้า

รูปที่ 1. ปฏิกิริยาแดง/วัวทั่วไป ปฏิกิริยาทั้งหมดคือ A +B ไปที่ A+ + บี-.แสดงปฏิกิริยาครึ่งหลังในกล่องสีน้ำเงิน NSถูกออกซิไดซ์โดยปฏิกิริยาและB ลดลงโดยปฏิกิริยา.

กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่ออิเล็กตรอน(NS)หายไป, หรือโมเลกุลคือออกซิไดซ์, อิเล็กตรอน(s) ต้องแล้วผ่านไปไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่ง เราว่าโมเลกุลที่ได้รับอิเล็กตรอนกลายเป็น ที่ลดลง. ***ปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันเป็นจับคู่เสมอ. ด้วยกันปฏิกิริยาคู่นี้เป็นที่รู้จักเป็นอัน ปฏิกิริยาออกซิเดชันลด (เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาแดง/วัว)****

ในBis2Aเราหวังว่าคุณจะคุ้นเคยกับคำศัพท์นี้ พยายามเรียนรู้และเรียนรู้การใช้งานโดยเร็วที่สุด- เราจะใช้ข้อกำหนดบ่อยๆและจะไม่มีเวลาให้คำจำกัดความในแต่ละครั้ง

จำคำจำกัดความ:

ครึ่งปฏิกิริยา

เพื่อสร้างความเข้าใจร่วมกันของเราเกี่ยวกับปฏิกิริยาแดง/วัว เราแนะนำแนวคิดของปฏิกิริยาครึ่งหนึ่ง ปฏิกิริยาแดง/วัวเต็มต้องการสองปฏิกิริยาครึ่ง เราสามารถคิดว่าแต่ละครึ่งปฏิกิริยาเป็นคำอธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นกับหนึ่งในสองโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาแดง/ออกซ์ทั้งหมด เราแสดงสิ่งนี้ด้านล่าง ในตัวอย่างนี้ สารประกอบ AH จะถูกออกซิไดซ์โดยสารประกอบ B+; อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จาก AH ไปยัง B+ เพื่อสร้าง A+ และบีเอช. แต่ละปฏิกิริยาสามารถครุ่นคิดของปฏิกิริยาสองครึ่ง: โดยที่ AH ถูกออกซิไดซ์และปฏิกิริยาที่สองโดยที่ B+ กำลังถูกลดเหลือ BH ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ถือว่าควบคู่ซึ่งเป็นคำที่แสดงว่าปฏิกิริยาทั้งสองนี้เกิดขึ้นพร้อมกันในเวลาเดียวกัน

รูปที่ 2 ปฏิกิริยาแดง/ออกซิไดซ์ทั่วไปโดยที่สารประกอบ AH ถูกออกซิไดซ์โดยสารประกอบ B+. ปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งแต่ละอันแสดงถึงสปีชีส์เดียวหรือสารประกอบที่สูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน (และต่อมาโปรตอนดังแสดงในรูปด้านบน) ในครึ่งปฏิกิริยา #1 AH จะสูญเสียโปรตอนและอิเล็กตรอน 2 ตัว: ในปฏิกิริยาครึ่งหลัง B+ ได้รับ 2 อิเล็กตรอนและโปรตอน ในเรื่องนี้ตัวอย่างHA ถูกออกซิไดซ์ถึง A+ ในขณะที่NS+จะลดลงถึง BH.

ลดศักยภาพ

ตามแบบแผน เราวิเคราะห์และอธิบายปฏิกิริยาแดง/วัวเกี่ยวกับศักยภาพในการลดซึ่งเป็นคำที่อธิบายในเชิงปริมาณถึง "ความสามารถ" ของสารประกอบในการรับอิเล็กตรอน ค่าของศักยภาพการลดลงนี้จะถูกกำหนดทดลองแต่สำหรับวัตถุประสงค์ของหลักสูตรนี้เราคิดว่าผู้อ่านจะยอมรับว่าค่าที่รายงานนั้นถูกต้องตามสมควร เราสามารถเปลี่ยนแปลงศักยภาพของการลดขนาดโดยพูดได้ว่ามันเกี่ยวกักับความแรงที่สารประกอบสามารถ "ดึงดูด" หรือ "ดึง" หรือ "จับ" อิเล็กตรอนได้ไม่แปลกใจเลยมีความเกี่ยวข้องแต่ไม่เหมือนกันกับอิเล็กโตรเนกาติวีตี้

คุณสมบัติที่แท้จริงในการดึงดูดอิเล็กตรอนคืออะไร?

สารประกอบต่างๆ ตามโครงสร้างและองค์ประกอบอะตอมของพวกมันมีแรงดึงดูดภายในและชัดเจนสำหรับอิเล็กตรอนคุณภาพนี้เรียกว่าศักยภาพในการลด หรือ E0และเป็นปริมาณสัมพัทธ์ (สัมพัทธ์กับบาง “มาตรฐาน" ปฏิกิริยา). หากสารประกอบทดสอบมี "แรงดึงดูด" ต่ออิเล็กตรอนที่แรงกว่ามาตรฐาน (หากทั้งสองแข่งขันกัน สารประกอบทดสอบจะ "รับ" อิเล็กตรอนจากสารประกอบมาตรฐาน) เราบอกว่าสารประกอบทดสอบมีศักยภาพในการลดค่าบวกซึ่งมีขนาดเป็นสัดส่วน มัน "ต้องการ" อิเล็กตรอนมากกว่าสารประกอบมาตรฐานมากแค่ไหน ความแข็งแรงสัมพัทธ์ของสารประกอบเมื่อเทียบกับมาตรฐานถูกวัดและรายงานเป็นหน่วยของ โวลต์ (V)(บางครั้งเขียนเป็นอิเล็กตรอนโวลต์หรือ eV) หรือ มิลลิโวลต์(เอ็มวี). สารประกอบอ้างอิงในเสาสีแดง/วัวส่วนใหญ่คือ H2.


การอภิปราย NB ที่เป็นไปได้ จุด

Rephrase for yourself: คุณอธิบายหรือคิดอย่างไรเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างแนวคิดเรื่องอิเล็กโตรเนกาติวีตี้และศักย์ไฟฟ้าสีแดง/วัว?


หอแดง/วัว

สารประกอบทุกชนิดสามารถมีส่วนร่วมในสีแดง/

วัว

ปฏิกิริยา นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเครื่องมือกราฟิกเพื่อจัดตารางปฏิกิริยาครึ่งสีแดง/วัวตาม E . ของพวกมัน0' ค่าและเพื่อช่วยเราทำนายทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างผู้บริจาคอิเล็กตรอนและผู้รับที่อาจเกิดขึ้น ไม่ว่าสารประกอบใดสามารถทำหน้าที่เป็นผู้ให้อิเล็กตรอน (รีดักแตนต์) หรือตัวรับอิเล็กตรอน (ออกซิไดซ์) ได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับว่าสารประกอบอื่นมีปฏิกิริยาอย่างไร หออิเล็กตรอนมักจะจัดลำดับสารประกอบทั่วไปที่หลากหลาย (ปฏิกิริยาครึ่งหนึ่ง) จาก E . เชิงลบส่วนใหญ่0', สารประกอบที่กำจัดอิเล็คตรอนได้เร็วถึง E . ที่เป็นบวกมากที่สุด0', สารประกอบที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะรับอิเล็กตรอน. นอกจากนี้แต่ละครึ่งปฏิกิริยา

ถูกเขียนขึ้น

โดยจัดรูปแบบออกซิไดซ์ทางด้านซ้าย/ตามด้วยรูปรีดิวซ์ทางด้านขวาของเครื่องหมายทับ
ตัวอย่างเช่น เราเขียนครึ่งปฏิกิริยาสำหรับการลด NAD+ เป็น NADH:
NAD+/NADH. หอคอยด้านล่างยังแสดงจำนวนอิเล็กตรอนที่

โอนแล้ว

ในแต่ละปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น การลดลงของ NAD+ ถึง NADH เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนสองตัว เขียนในตารางเป็น 2e-.

มีการแสดงหออิเล็กตรอนทางชีวเคมี

ด้านล่าง.

รูปแบบออกซิไดซ์

ที่ลดลงรูปร่าง

NS(อิเล็กตรอน)

อีโอ' (โวลต์)

PS1* (วัว)

PS1* (สีแดง)

-

-1.20

อะซิเตท + CO2

ไพรูเวต

2

-0.7

เฟอร์ดอกซิน (ox) รุ่น 1

เฟอร์ดอกซิน (สีแดง) รุ่น 1

1

-0.7

ซัคซิเนต + CO2 + 2H+

a-ketoglutarate + H2โอ

2

-0.67

PSII* (วัว)

PSII* (สีแดง)

-

-0.67

P840* (วัว)

PS840* (สีแดง)

-

-0.67

อะซิเตท

อะซีตัลดีไฮด์

2

-0.6

กลีเซอรีน-3-P

glyceraldehyde-3-P + H2โอ

2

-0.55

โอ2

โอ2-

1

-0.45

เฟอร์ด็อกซิน (ox) รุ่น2

เฟอร์ดอกซิน (สีแดง) รุ่น2

1

-0.43

CO2

กลูโคส

24

-0.43

CO2

รูปแบบ

2

-0.42

2H+

ชม2

2

-0.42 (ที่ [H+] = 10-7;pH=7)

หมายเหตุ: ที่ [H+] = 1;pH=0Eo' สำหรับไฮโดรเจนเป็นศูนย์ คุณจะเห็นสิ่งนี้ในชั้นเรียนเคมี

α-ketoglutarate + CO2 + 2H+

ไอโซซิเตรต

2

-0.38

อะซิโตอะซิเตท

b-hydroxybutyrate

2

-0.35

ซีสตีน

ซิสเทอีน

2

-0.34

ไพรูเวท + CO2

มาลาเต

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

คอมเพล็กซ์ฉัน FMN (ผูกกับเอนไซม์)

FMNH2

2

-0.3

ไลโปอิคกรด,(วัว)

กรดไลโปอิก (สีแดง)

2

-0.29

1,3 บิสฟอสโฟกลีเซอเรต + 2H+

glyceraldehyde-3-P + Pผม

2

-0.29

กลูตาไธโอน (วัว)

กลูตาไธโอน (สีแดง)

2

-0.23

แฟชั่น+ (ฟรี) + 2H+

FADH2

2

-0.22

อะซีตัลดีไฮด์ + 2H+

เอทานอล

2

-0.2

ไพรูเวท + 2H+

แลคเตท

2

-0.19

ออกซาเลตเตต + 2H+

มาลาเต

2

-0.17

α-ketoglutarate + NH4+

กลูตาเมต

2

-0.14

แฟชั่น+ + 2H+ (ผูกพัน)

FADH2 (ผูกพัน)

2

0.003-0.09

เมทิลีนบลู (ox)

เมทิลีนสีฟ้า,(สีแดง)

2

0.01

ฟูมาเรต + 2H+

กระชับ

2

0.03

CoQ (Ubiquinone - UQ + H .)+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

กรดดีไฮโดรแอสคอร์บิก

วิตามินซี

2

0.06

พลาสโตควิโนน; (วัว)

พลาสโตควิโนน; (สีแดง)

-

0.08

ยูบิควิโนน; (วัว)

ยูบิควิโนน; (สีแดง)

2

0.1

คอมเพล็กซ์ III ไซโตโครม บี2; เฟ3+

ไซโตโครม บี2; เฟ2+

1

0.12

เฟ3+ (pH = 7)

เฟ2+ (pH = 7)

1

0.20

คอมเพล็กซ์ III ไซโตโครม c1; เฟ3+

ไซโตโครม c1; เฟ2+

1

0.22

ไซโตโครมค; เฟ3+

ไซโตโครมค; เฟ2+

1

0.25

คอมเพล็กซ์ IV ไซโตโครมNS;เฟ3+

ไซโตโครมNS;เฟ2+

1

0.29

1/2 ออนซ์2 + โฮ2โอ

ชม2โอ2

2

0.3

P840GS (วัว)

PS840GS (สีแดง)

-

0.33

คอมเพล็กซ์ IV ไซโตโครม a3; เฟ3+

ไซโตโครม a3; เฟ2+

1

0.35

เฟอริไซยาไนด์

เฟอโรไซยาไนด์

2

0.36

ไซโตโครม ฉ; เฟ3+

ไซโตโครม ฉ; เฟ2+

1

0.37

PSIGS (วัว)

PSIGS (สีแดง)

.

0.37

ไนเตรต

ไนไตรท์

1

0.42

เฟ3+ (pH = 2)

เฟ2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 ออนซ์2 + 2H+

ชม2โอ

2

0.816

PSIIGS (วัว)

PSIIGS (สีแดง)

-

1.10

* ตื่นเต้นสถานะ,หลังจากดูดซับโฟตอนของแสง

GS กราวด์รัฐสถานะก่อนดูดซับโฟตอนของแสง

PS1: ระบบภาพถ่ายออกซิเจน I

P840: ศูนย์ปฏิกิริยาแบคทีเรียที่มีแบคทีเรียคลอโรฟิลล์ (อะออกซิเจนิก)

PSII: ระบบภาพถ่ายออกซิเจน II

ตาราง1. Common Red/ox tower ที่ใช้ใน Bis2A โดยการประชุมเขียนปฏิกิริยาครึ่งหอคอยด้วยรูปแบบออกซิไดซ์ของสารประกอบทางด้านซ้ายและรูปรีดิวซ์ทางด้านขวา สารประกอบที่ทำให้ผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่ดีมีโอกาสลดลงในเชิงลบสูง สารประกอบเช่นกลูโคสและก๊าซไฮโดรเจนเป็นผู้ให้อิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยมโดยสารประกอบคอนทราสต์ที่ทำให้ตัวรับอิเล็กตรอนดีเยี่ยม เช่น ออกซิเจนและไนไตรท์เป็นตัวรับอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม

วิดีโอเกี่ยวกับหออิเล็กตรอน

สำหรับวิดีโอสั้น ๆ เกี่ยวกับวิธีการใช้หออิเล็กตรอนสีแดง/วัวปัญหาคลิกที่นี่หรือด้านล่าง วิดีโอนี้จัดทำโดย Dr. Easlon สำหรับนักเรียน Bis2A (นี่คือค่อนข้างข้อมูล)

ความสัมพันธ์ระหว่าง .คืออะไร ΔE0' และ ΔG?

คำถามตอนนี้กลายเป็น: เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามีที่ให้ไว้ปฏิกิริยาแดง/วัวเกิดขึ้นเองอย่างกระฉับกระเฉงหรือไม่ (exergonic หรือ endergonic) และโดยไม่คำนึงถึงทิศทาง ความแตกต่างของพลังงานอิสระคืออะไร? คำตอบอยู่ที่ความแตกต่างในศักยภาพการรีดักชันของสารประกอบทั้งสอง ความแตกต่างในศักยภาพการลดลงของปฏิกิริยาหรือ อี0' สำหรับปฏิกิริยาคือความแตกต่างระหว่าง E0' สำหรับ สารออกซิแดนท์ (สารประกอบรับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดออกซิเดชันของสารประกอบอื่น) และ รีดักเตอร์ (สารประกอบที่สูญเสียอิเล็กตรอน) ในตัวอย่างทั่วไปด้านล่าง AH คือรีดักแตนท์และ B+ เป็นสารออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จาก AH ไปยัง B+. การใช้ E0' ของ -0.32 สำหรับรีดักแตนต์และ +0.82 สำหรับสารออกซิไดซ์การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดใน E0' หรือ ΔE0' คือ 1.14 eV

รูปที่ 3 ปฏิกิริยาแดง/วัวทั่วไปที่มีปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งเขียนด้วยการลดน้อยลงศักยภาพ (E0') ของปฏิกิริยาครึ่งที่สองระบุ.

การเปลี่ยนแปลงของ ΔE0' สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงใน กิ๊บส์พลังงานอิสระ ΔG.โดยทั่วไปแล้วบวกมาก ΔE0' เป็นสัดส่วนกับลบขนาดใหญ่ ΔG ปฏิกิริยาตอบสนองและเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิด exergonic ปฏิกิริยาจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงเชิงลบของพลังงานอิสระหรือ -ΔG, สิ่งนี้จะสอดคล้องกับค่าบวก ΔE0'.กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่ออิเล็กตรอนไหล "ตกต่ำ" ในปฏิกิริยาสีแดง/ออกซ์จากสารประกอบที่มีศักยภาพการรีดักชันที่ต่ำกว่า (เป็นลบมากกว่า) ไปยังสารประกอบที่สองที่มีศักย์ลดลงที่ใหญ่กว่า (เป็นบวกมากกว่า) พวกมันจะปล่อยพลังงานอิสระ ยิ่งแรงดันไฟฟ้ามากขึ้น อี0'ระหว่างส่วนประกอบทั้งสอง ยิ่งมีพลังงานมากขึ้นเมื่อเกิดการไหลของอิเล็กตรอน ในความเป็นจริง เป็นไปได้ที่จะหาปริมาณพลังงานอิสระที่มีอยู่ ความสัมพันธ์ถูกกำหนดโดยสมการ Nernst:

รูปที่ 4 สมการ Nernst เกี่ยวข้องกับพลังงานอิสระของปฏิกิริยาแดง/ออกซิไดซ์กับความแตกต่างในศักยภาพการลดลงระหว่างผลิตภัณฑ์ที่ลดลงของปฏิกิริยาและตัวทำปฏิกิริยาออกซิไดซ์
การแสดงที่มา:มาร์ค ทู. Facciotti

ที่ไหน:

  • NSคือจำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่ถ่ายโอน
  • F คือค่าคงที่ฟาราเดย์ 96.485 kJ/V บางครั้งก็จะได้รับในหน่วยของ kcal/V คือ 23.062 kcal/V ซึ่งเป็นปริมาณพลังงาน (เป็น kJ หรือ kcal) ที่ปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนหนึ่งโมลผ่านศักย์ไฟฟ้าตก 1โวลต์

บันทึก:

สิ่งที่คุณควรสังเกตคือ ΔG และ ΔE มีความสัมพันธ์แบบผกผัน: เมื่อ ΔG เป็นบวก ΔE เป็นค่าลบ และเมื่อ ΔG เป็นค่าลบ ΔE เป็นค่าบวก สำหรับการตรวจสอบเพิ่มเติม โปรดดูที่การสนทนา red/ox ในคู่มือการสนทนา Bis2A

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับผู้ให้บริการพลังงานเคลื่อนที่

สรุปมาตรา

พลังงานเคลื่อนที่และถ่ายโอนภายในเซลล์ได้หลายวิธี กลไกสำคัญประการหนึ่งที่ธรรมชาติได้พัฒนาขึ้นคือการใช้ตัวพาพลังงานโมเลกุลที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ แม้ว่าจะมีผู้ให้บริการพลังงานรีไซเคิลรายใหญ่หลายราย แต่ก็มีคุณสมบัติการทำงานทั่วไปบางประการ:

คุณสมบัติของตัวพาพลังงานโมเลกุลของเซลล์ที่สำคัญ

  • เราคิดว่าตัวพาพลังงานที่มีอยู่ใน "สระ" ของมีอยู่ผู้ให้บริการ โดยการเปรียบเทียบ อาจพิจารณาผู้ให้บริการพลังงานเคลื่อนที่เหล่านี้ที่คล้ายคลึงกับยานพาหนะจัดส่งของผู้ขนส่งพัสดุ—บริษัทมี "กลุ่ม" บางอย่างของมีอยู่ยานพาหนะในเวลาใดก็ได้เพื่อรับและส่งมอบ
  • แต่ละพาหะในพูลสามารถมีอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันหลายสถานะ: มันคือทั้งแบก "ภาระ" ของพลังงาน ภาระที่เป็นเศษส่วน หรือ "ว่างเปล่า" โมเลกุลสามารถแปลงระหว่าง "โหลด" กับว่างและทำให้สามารถนำไปรีไซเคิล. โดยการเปรียบเทียบอีกครั้ง รถส่งของสามารถเป็นทั้งถือหีบห่อหรือว่างเปล่าและสลับไปมาระหว่างสถานะเหล่านี้
  • ความสมดุลหรืออัตราส่วนในพูลระหว่างผู้ให้บริการ "โหลด" และ "ยกเลิกการโหลด" มีความสำคัญต่อการทำงานของเซลลูล่าร์ถูกควบคุมโดยเซลล์ และมักจะบอกเราบางอย่างเกี่ยวกับสถานะของเซลล์ ในทำนองเดียวกัน บริการขนส่งพัสดุจะคอยติดตามอย่างใกล้ชิดว่ารถส่งของเต็มหรือว่างแค่ไหน—หากรถเต็มเกินไป อาจมีรถบรรทุก "ว่าง" ไม่เพียงพอที่จะรับพัสดุใหม่ หากว่างเปล่าเกินไป ธุรกิจจะต้องไม่ไปได้ดีหรือปิดตัวลง มีความสมดุลที่เหมาะสมกับสถานการณ์ต่างๆ

ในหลักสูตรนี้ เราจะพิจารณาตัวพาพลังงานที่รีไซเคิลได้ในระดับโมเลกุลหลักสองประเภท: (1) อะดีนีนนิวคลีโอไทด์: นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (NAD+), ญาติสนิท, นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต (NADP+), และ ฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (FAD2+) และ (2) นิวคลีโอไทด์โมโน- ได- และไตรฟอสเฟต โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP). โมเลกุลทั้งสองชนิดนี้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการถ่ายเทพลังงานต่างๆ เราเชื่อมโยงอะดีนีนนิวคลีโอไทด์กับเคมีแดง/ออกซ์และไตรฟอสเฟตนิวคลีโอไทด์ด้วยการถ่ายเทพลังงานที่เชื่อมโยงกับการไฮโดรไลซิสหรือการควบแน่นของอนินทรีย์ฟอสเฟต

แดง/ออกซ์เคมีและตัวพาอิเล็กตรอน

การเกิดออกซิเดชันหรือการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุล (ไม่ว่าจะมาพร้อมกับการกำจัดโปรตอนที่มาพร้อมกันหรือไม่ก็ตาม) ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระสำหรับโมเลกุลนั้น ทั้งสสาร พลังงานภายใน และเอนโทรปีก็เปลี่ยนไปทั้งหมด ในทำนองเดียวกัน การลดลงของโมเลกุลก็เปลี่ยนพลังงานอิสระของมันเช่นกัน ขนาดของการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระและทิศทางของมัน (บวกหรือลบ) สำหรับปฏิกิริยาแดง/วัว กำหนดความเป็นธรรมชาติของปฏิกิริยาและปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอน ในระบบทางชีววิทยา ซึ่งการถ่ายเทพลังงานจำนวนมากเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาแดง/วัว สิ่งสำคัญคือต้องทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นอย่างไรเป็นสื่อกลางและพิจารณาแนวคิดหรือสมมติฐานว่าทำไมปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นสื่อกลางส่วนใหญ่โดยกลุ่มตัวพาอิเล็กตรอนขนาดเล็ก

หมายเหตุ: ความท้าทายในการออกแบบ

ปัญหาที่พาดพิงถึงในคำถามอภิปรายก่อนหน้านี้เป็นสถานที่ที่ดีในการนำรูบริกความท้าทายด้านการออกแบบมาใช้ หากคุณจำได้ ขั้นตอนแรกของเกณฑ์การให้คะแนนจะขอให้คุณกำหนดปัญหาหรือคำถาม ในที่นี้ ให้ลองจินตนาการว่ามีปัญหาในการกำหนดว่าตัวพาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตัวใดด้านล่างช่วยให้ธรรมชาติแก้ปัญหาได้

***จำไว้ว่า วิวัฒนาการไม่ใช่การส่งต่อการแก้ปัญหา แต่ในการหวนกลับ เราสามารถใช้จินตนาการและตรรกะของเราในการอนุมานว่าสิ่งที่เราเห็นโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาตินั้นให้ประโยชน์ในการเลือก เพราะนวัตกรรมธรรมชาติ "แก้ปัญหา" ได้ ความสำเร็จที่จำกัด.***

ความท้าทายด้านการออกแบบสำหรับผู้ให้บริการ Red/ox

  • มีปัญหาอะไร(s) ว่าวิวัฒนาการของผู้ให้บริการอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช่วยแก้?
  • ขั้นตอนต่อไปของความท้าทายด้านการออกแบบจะขอให้คุณระบุเกณฑ์สำหรับการแก้ปัญหาที่ประสบความสำเร็จ เกณฑ์ความสำเร็จในปัญหาที่คุณระบุคืออะไร
  • ขั้นตอนที่ 3 ในความท้าทายด้านการออกแบบขอให้คุณระบุโซลูชัน ที่นี่ Nature ได้ระบุบางอย่างสำหรับเรา - เราพิจารณาสามข้อในการอ่านด้านล่าง ดูเหมือนว่าธรรมชาติจะมีความสุขที่ได้แก้ปัญหาหลายอย่าง
  • ขั้นตอนสุดท้ายของรูบริกความท้าทายด้านการออกแบบขอให้คุณทดสอบแนวทางแก้ไขปัญหาที่เสนอโดยเทียบกับเกณฑ์ความสำเร็จ สิ่งนี้จะทำให้คุณคิด / อภิปรายว่าทำไมจึงมีตัวพาอิเล็กตรอนหลายตัว มีเกณฑ์ความสำเร็จที่แตกต่างกันหรือไม่? พวกเขาแต่ละคนแก้ปัญหาต่างกันเล็กน้อยหรือไม่? คุณคิดอย่างไร? ระวังในขณะที่เราผ่านการเผาผลาญเพื่อหาเบาะแส

NAD+/H และ FADH/H2

ในระบบสิ่งมีชีวิต สารประกอบกลุ่มเล็กๆ ทำหน้าที่เป็นกระสวยอิเล็กตรอน โดยจะจับและลำเลียงอิเล็กตรอนระหว่างสารประกอบต่างๆ ในวิถีเมแทบอลิซึมที่แตกต่างกัน ตัวพาอิเล็กตรอนหลักที่เราจะพิจารณานั้นมาจากกลุ่มวิตามินบีและนิวคลีโอไทด์ สารประกอบเหล่านี้สามารถลดลงทั้งคู่ (นั่นคือพวกเขายอมรับอิเล็กตรอน) หรือออกซิไดซ์ (พวกเขาสูญเสียอิเล็กตรอน) ขึ้นอยู่กับศักยภาพในการลดของผู้บริจาคหรือตัวรับอิเล็กตรอนที่มีศักยภาพซึ่งพวกมันอาจถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังและจาก. นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (NAD+) (เราแสดงโครงสร้างด้านล่าง) มาจากวิตามิน B3ไนอาซิน NAD+ เป็นรูปแบบออกซิไดซ์ของโมเลกุล NADH เป็นรูปแบบรีดิวซ์ของโมเลกุลหลังจากที่ยอมรับอิเล็กตรอนสองตัวและโปรตอน (ซึ่งรวมกันจะเทียบเท่ากับอะตอมไฮโดรเจนที่มีอิเล็กตรอนพิเศษ)

เราคาดหวังให้คุณจดจำ NAD . ทั้งสองรูปแบบ+/NADH รู้ว่ารูปแบบใดถูกออกซิไดซ์และอะไรจะลดลงและสามารถจดจำรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งได้ทันทีในปฏิกิริยาเคมี

NAD+ สามารถรับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอินทรีย์ได้ตามสมการทั่วไปดังนี้

นี่คือการทบทวนคำศัพท์: เมื่ออิเล็กตรอนถูกเพิ่มเราพูดว่าสารประกอบได้รับการที่ลดลง. สารประกอบที่ลด (บริจาคอิเล็กตรอนให้) อื่นถูกเรียกNS ตัวรีดิวซ์. ในสมการข้างต้น RH คือตัวรีดิวซ์ และ NAD+ กลายเป็น NADH เมื่ออิเล็กตรอนออกจากสารประกอบ จะกลายเป็นออกซิไดซ์ สารประกอบที่ออกซิไดซ์อื่นถูกเรียกNS ออกซิไดซ์. ในสมการข้างต้น NAD+ เป็นตัวออกซิไดซ์และRH ถูกออกซิไดซ์อีกวิธีหนึ่งคือ ตัวรีดิวซ์จะถูกออกซิไดซ์และตัวออกซิไดซ์จะลดลง

คุณต้องได้รับสิ่งนี้ลง! เราจะ (ก) ทดสอบเฉพาะความสามารถของคุณในการทำเช่นนั้น (เป็นคำถามที่ "ง่าย") และ (ข) เราจะใช้ข้อกำหนดด้วยความคาดหวังว่าคุณทราบความหมายและสามารถเชื่อมโยงกับปฏิกิริยาทางชีวเคมีได้อย่างถูกต้อง (ในชั้นเรียนและในการทดสอบ)

คุณจะได้พบกับ NAD . แบบที่สอง+, NADP+. มีโครงสร้างคล้ายกับ NAD . มาก+แต่มีหมู่ฟอสเฟตพิเศษและมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาอะนาโบลิก เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสง ตัวพาอิเล็กตรอนที่มีนิวคลีโอไทด์อีกตัวหนึ่งที่คุณจะพบในหลักสูตรนี้และต่อไปก็คือ ฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (FAD)+) มาจากวิตามิน B2หรือเรียกอีกอย่างว่าไรโบฟลาวิน รูปแบบย่อของมันคือ FADH2. เรียนรู้ที่จะรู้จักโมเลกุลเหล่านี้เป็นตัวพาอิเล็กตรอน

รูปที่ 1. รูปแบบออกซิไดซ์ของตัวพาอิเล็กตรอน (NAD+)แสดงให้เห็นทางด้านซ้ายและรูปย่อ (NADH)แสดงให้เห็นทางขวา. เบสไนโตรเจนใน NADH มีไฮโดรเจนไอออน 1 ตัว และมีอิเล็กตรอนมากกว่า NAD . อีก 2 ตัว+.

เซลล์ใช้ NAD+ เพื่อ "ดึง" อิเล็กตรอนออกจากสารประกอบและ "พา" พวกมันไปยังตำแหน่งอื่นภายในเซลล์ดังนั้นเราเรียกมันว่า ผู้ให้บริการอิเล็กตรอน. กระบวนการเผาผลาญหลายอย่างที่เราจะพูดถึงในนี้ชั้นเรียนเกี่ยวข้องกับ NAD(NS)+/H สารประกอบ ตัวอย่างเช่น ในรูปแบบออกซิไดซ์ NAD+ ใช้เป็นสารตั้งต้นในไกลโคไลซิสและวัฏจักร TCA ในขณะที่ในรูปรีดิวซ์ (NADH) เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาการหมักและโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน (ETC) เราจะพูดถึงแต่ละกระบวนการเหล่านี้ในโมดูลในภายหลัง

เรื่องพลังงานสำหรับปฏิกิริยาแดง/วัว

***ตามกฎของนิ้วหัวแม่มือ เมื่อเราเห็น NAD+/H เป็นสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ เรารู้ว่าเรากำลังดูปฏิกิริยาแดง/ออกซ์***

เมื่อ NADH เป็นผลิตภัณฑ์และ NAD+ เป็นสารตั้งต้น เรารู้ว่า NAD+ ลดลง (สร้าง NADH);ดังนั้นสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งจะต้องเป็นผู้ให้อิเล็กตรอนและกลายเป็นออกซิไดซ์ สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ถ้า NADH กลายเป็น NAD+จากนั้นสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งจะต้องได้รับอิเล็กตรอนจาก NADH และมีค่าลดลง

รูปที่ 2 ปฏิกิริยานี้แสดงการแปลงของไพรูเวตเป็นกรดแลคติกควบคู่ไปกับการแปลง NADH เป็น NAD+. ที่มา: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

จากรูปด้านบน เราจะเห็นว่าไพรูเวตกลายเป็นกรดแลคติกควบคู่ไปกับการเปลี่ยน NADH เป็น NAD+. LDH เร่งปฏิกิริยานี้ โดยใช้ "กฎทั่วไป" ด้านบน เราจัดหมวดหมู่ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาแดง/วัว NADH เป็นรูปรีดิวซ์ของตัวพาอิเล็กตรอน และ NADH จะถูกแปลงเป็น NAD+. ครึ่งหนึ่งของปฏิกิริยานี้ส่งผลให้เกิดการเกิดออกซิเดชันของอิเล็กตรอนผู้ให้บริการ. ไพรูเวทจะถูกแปลงเป็นกรดแลคติกในปฏิกิริยานี้ ทั้งน้ำตาลมีประจุลบดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะดูว่าสารประกอบใดลดน้อยลงโดยใช้ประจุของสารประกอบ อย่างไรก็ตาม เรารู้ว่าไพรูเวตลดลงจนเกิดเป็นกรดแลคติกเพราะการแปลงนี้เป็นคู่กันออกซิเดชันของ NADH ไปเป็น NAD+. แต่เราจะบอกได้อย่างไรว่ากรดแลคติกลดลงมากกว่าไพรูเวต? คำตอบคือการดูพันธะคาร์บอนไฮโดรเจนในสารประกอบทั้งสอง เมื่อถ่ายโอนอิเล็กตรอน พวกมันมักจะมาพร้อมกับโดยอะตอมไฮโดรเจน ไพรูเวทมีผลรวมของพันธะ C-H สามพันธะ ในขณะที่กรดแลคติกมีพันธะ C-H สี่พันธะ เมื่อเราเปรียบเทียบสารประกอบทั้งสองนี้ในสถานะก่อนและหลัง เราจะเห็นว่ากรดแลคติกมีพันธะ C-H อีกหนึ่งพันธะ ดังนั้นกรดแลคติกจะลดลงมากกว่าไพรูเวต สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับสารประกอบหลายตัว ตัวอย่างเช่น ในรูปด้านล่าง คุณควรจะสามารถจัดลำดับสารประกอบจากมากไปน้อยน้อยที่สุดโดยใช้พันธะ C-H เป็นแนวทางของคุณ

รูปที่ 3 ด้านบนเป็นชุดของสารประกอบมากกว่า canติดอันดับหรือจัดใหม่จากมากไปน้อย เปรียบเทียบจำนวนพันธะ C-H ในแต่ละสารประกอบ คาร์บอนไดออกไซด์ไม่มีพันธะ C-H และเป็นคาร์บอนรูปแบบออกซิไดซ์มากที่สุดที่เราจะพูดถึงในชั้นนี้ ตอบ:NSที่ลดลงมากที่สุดคือมีเทน (สารประกอบ 3) จากนั้นเมทานอล (4) ฟอร์มัลดีไฮด์ (1) กรดคาร์บอกซิลิก (2) และสุดท้ายคือคาร์บอนไดออกไซด์ (5)

รูปที่ 4 ปฏิกิริยานี้แสดงการแปลงของ G3P, NAD+, และ Pผม เป็น NADH และ 1,3-BPG ปฏิกิริยานี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดย glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase

เรื่องพลังงานสำหรับปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาโดย กลีซาลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส:

มาสร้างเรื่องราวพลังงานสำหรับปฏิกิริยาข้างต้นกัน

ขั้นแรก ให้เราอธิบายลักษณะของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ สารตั้งต้นคือ glyceraldehyde-3-phosphate (สารประกอบคาร์บอน), Pผม (อนินทรีย์ฟอสเฟต) และ NAD+. สารตั้งต้นทั้งสามนี้เข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์สองชนิดคือ NADH และ 1,3-bisphosphoglycerate. หากสังเกตดีๆ จะเห็นว่า 1,3-BPG มีฟอสเฟตอยู่ 2 ตัว นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไม่ควรสูญเสียมวลระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด สารตั้งต้นมีฟอสเฟตอยู่ 2 ชนิด ดังนั้นผลิตภัณฑ์จะต้องมีฟอสเฟต 2 ชนิด (การอนุรักษ์มวล!) คุณสามารถตรวจสอบ .อีกครั้งการทำหนังสือของมวลสำหรับอะตอมอื่นทั้งหมด ควรจัดตารางให้ถูกต้องด้วย เอนไซม์ที่เรียกว่า glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase ซึ่งกระตุ้นปฏิกิริยานี้ การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาตรฐานของปฏิกิริยานี้คือ ~6.3 kJ/โมล ดังนั้นภายใต้สภาวะมาตรฐาน เราสามารถพูดได้ว่าพลังงานอิสระของผลิตภัณฑ์สูงกว่าของสารตั้งต้น และปฏิกิริยานี้ไม่เกิดขึ้นเองภายใต้สภาวะมาตรฐาน

เราจะพูดอะไรเกี่ยวกับปฏิกิริยานี้เมื่อมันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดย glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase?

นี่คือปฏิกิริยาแดง/วัว เรารู้ว่าเพราะเราได้ผลิตสารพาหะอิเล็กตรอนแบบรีดิวซ์ (NADH) เป็นผลิตภัณฑ์และ NAD+ เป็นสารตั้งต้น อิเล็กตรอนมาจากไหนเพื่อสร้าง NADH? อิเล็กตรอนต้องมาจากสารตั้งต้นอื่น (สารประกอบคาร์บอน)

ATP

สารประกอบทางเคมีที่สำคัญคือ อะดีโนซีน ไตรฟอสเปต (ATP). บทบาทหลักของเซลล์ ATP คือเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทพลังงาน "ระยะสั้น" สำหรับเซลล์ ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่ปลดปล่อยฟอสเฟตของ ATP หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจริง และโปรตีนในเซลล์จำนวนมากได้วิวัฒนาการเพื่อให้เกิดปฏิกิริยากับ ATP ในลักษณะที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนพลังงานจากการไฮโดรไลซิสไปยังหน้าที่อื่นๆ ของเซลล์อีกนับไม่ถ้วน ด้วยวิธีนี้ ATP มักถูกเรียกว่า "สกุลเงินพลังงาน" ของเซลล์: มีค่าคงที่ที่สมเหตุสมผลของพลังงานที่จะถ่ายโอนไปยังหรือจากตัวมันเอง และสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานนั้นระหว่างผู้บริจาคและผู้รับที่มีศักยภาพจำนวนมาก เราจะเห็นตัวอย่างมากมายของ ATP "ที่ทำงาน" ในเซลล์ ดังนั้นจงมองหาพวกมัน อย่างที่คุณเห็น ลองคิดว่ามันเป็นตัวอย่างการใช้งานของธรรมชาติสำหรับ ATP นั้นคุณสามารถคาดหวังเพื่อดูปฏิกิริยาหรือบริบทอื่น

โครงสร้างและหน้าที่ของเอทีพี

ที่หัวใจของ ATP คือนิวคลีโอไทด์ที่เรียกว่าอะดีโนซีนโมโนฟอสเฟต (AMP) เช่นเดียวกับนิวคลีโอไทด์อื่นๆAMP ประกอบด้วยของเบสไนโตรเจน (โมเลกุลอะดีนีน) ที่จับกับโมเลกุลไรโบสและกลุ่มฟอสเฟตเดี่ยว การเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตที่สองลงในโมเลกุลแกนกลางนี้ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP); การเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตที่สามทำให้เกิดอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP)


รูปที่ 1. เอทีพี (อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต) มีหมู่ฟอสเฟตสามกลุ่มที่สามารถถูกลบออกโดยการไฮโดรไลซิสเพื่อสร้าง ADP (adenosine diphosphate) หรือ AMP (adenosine monophosphate)

NS ฟอสโฟรีเลชั่น (หรือการควบแน่นของหมู่ฟอสเฟตบน AMP) เป็นกระบวนการ endergonicในทางตรงกันข้ามไฮโดรไลซิสของหมู่ฟอสเฟตหนึ่งหรือสองกลุ่มจาก ATP กระบวนการที่เรียกว่า dephosphorylation, มีความกระฉับกระเฉง ทำไม? ให้ระลึกว่าเงื่อนไข endergonic และ exergonic หมายถึงสัญญาณความแตกต่างของพลังงานอิสระของปฏิกิริยาระหว่างผลิตภัณฑ์กับสารตั้งต้น ΔG ในที่นี้เราจะกำหนดทิศทางของปฏิกิริยาอย่างชัดเจน ไม่ว่าจะเป็นไปทางฟอสโฟรีเลชันหรือดีฟอสโฟรีเลชันของนิวคลีโอไทด์ ในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่น สารตั้งต้นคือนิวคลีโอไทด์และฟอสเฟตอนินทรีย์ในขณะที่ผลิตภัณฑ์คือนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลตและน้ำ ในปฏิกิริยาดีฟอสโฟรีเลชัน/ไฮโดรไลซิส สารตั้งต้นคือนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลตและน้ำ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์คือฟอสเฟตอนินทรีย์และนิวคลีโอไทด์ลบหนึ่งฟอสเฟต

เนื่องจากกิ๊บส์พลังงานอิสระเป็นหน้าที่ของรัฐ มันไม่สำคัญว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างไร คุณเพียงแค่พิจารณาสถานะเริ่มต้นและสิ้นสุด ตัวอย่างเช่น ลองตรวจสอบการไฮโดรไลซิสของ ATP สารตั้งต้น ATP และน้ำมีลักษณะเป็นอะตอมของพวกมันและชนิดของพันธะระหว่างอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ เราสามารถเชื่อมโยงพลังงานอิสระบางส่วนกับพันธะแต่ละชนิดและรูปแบบที่เป็นไปได้—เช่นเดียวกันสำหรับผลิตภัณฑ์ หากเราตรวจสอบปฏิกิริยาจากมุมมองของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น และถามว่า "เราจะรวมอะตอมและพันธะในสารตั้งต้นเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ใหม่ได้อย่างไร" เราพบว่าพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ระหว่างออกซิเจนกับฟอสฟอรัสต้องแตกใน ATP พันธะระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจนจะต้องแตกสลายในน้ำ พันธะระหว่าง OH (ที่มาจากการแยกน้ำ) กับฟอสฟอรัส (จาก PO3-2 ที่ปลดปล่อย) จะต้องสร้างพันธะ เกิดขึ้นระหว่าง H (ที่ได้มาจากการแยกน้ำ) และออกซิเจนปลายทางบนนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลต เป็นผลรวมของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงพันธะใหม่ทั้งหมด (รวมถึงพลังงานที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับน้ำ) ที่ทำให้ปฏิกิริยานี้แสดงออก เราสามารถทำการวิเคราะห์ที่คล้ายกันด้วยปฏิกิริยาย้อนกลับ

มีบางอย่างที่พิเศษเกี่ยวกับพันธะเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลเหล่านี้หรือไม่? มีบทความมากมายเกี่ยวกับประเภทของพันธะระหว่างฟอสเฟตของเอทีพี แน่นอน คุณสมบัติของพันธะใน ATP ช่วยกำหนดพลังงานอิสระและการเกิดปฏิกิริยาของโมเลกุล อย่างไรก็ตาม ในขณะที่เป็นการเหมาะสมที่จะใช้แนวคิดอย่างเช่น ความหนาแน่นของประจุและความพร้อมใช้งานของโครงสร้างเรโซแนนซ์ในการอภิปรายนี้ การใช้คำศัพท์เหล่านี้เป็น "คำอธิบาย" โดยปราศจากความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าปัจจัยเหล่านี้มีอิทธิพลต่อพลังงานอิสระของสารตั้งต้นเป็นชนิดพิเศษของ โบกมือที่เราไม่ควรมีส่วนร่วม นักเรียน BIS2A ส่วนใหญ่ไม่มีวิชาเคมีของวิทยาลัยและผู้ที่ไม่น่าจะพูดถึงเงื่อนไขเหล่านั้นในทางที่มีความหมาย ดังนั้น การอธิบายกระบวนการโดยใช้แนวคิดข้างต้นทำให้เกิดความเข้าใจที่ผิดพลาด กำหนดคุณสมบัติลึกลับบางอย่างให้กับ ATP และพันธะ "พิเศษ" ที่ไม่มีอยู่จริง และเบี่ยงเบนความสนใจจากจุดที่แท้จริง: ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสมีความรุนแรงเนื่องจาก คุณสมบัติของ ATP และ นอกจากนี้ เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีของน้ำและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา สำหรับคลาสนี้ ก็เพียงพอแล้วที่จะรู้ว่านักเคมีกายภาพโดยเฉพาะยังคงศึกษากระบวนการไฮโดรไลซิสของ ATP ในสารละลายและในบริบทของโปรตีน และยังคงพยายามพิจารณาองค์ประกอบเอนทาลปิกและเอนโทรปิกที่สำคัญของพลังงานที่ปราศจากส่วนประกอบ เราแค่ต้องยอมรับความไม่รู้ทางเคมีเชิงกลไกในระดับหนึ่ง และพอใจกับคำอธิบายคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ขั้นต้น อย่างหลังก็เพียงพอแล้วที่จะมีการอภิปรายอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับชีววิทยาที่เกี่ยวข้อง

พันธบัตร "พลังงานสูง"

แล้วคำว่า "พันธะพลังงานสูง" ที่เรามักได้ยินเกี่ยวกับ ATP ล่ะ? ถ้าไม่มีอะไร "พิเศษ" เกี่ยวกับพันธะใน ATP ทำไมเรามักจะได้ยินคำว่า "พันธะพลังงานสูง" ที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลอยู่เสมอ คำตอบนั้นง่ายอย่างหลอกลวง ในทางชีววิทยา คำว่า "พันธะพลังงานสูง" ใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยา exergonic ที่เกี่ยวข้องกับการไฮโดรไลซิสของพันธะที่เป็นปัญหาซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงลบ "ขนาดใหญ่" ในพลังงานอิสระ โปรดจำไว้ว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระนี้ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับพันธะที่เป็นปัญหาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลรวมของการจัดเรียงใหม่ของพันธะในปฏิกิริยาด้วย อะไรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่? เป็นการมอบหมายงานโดยพลการซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานที่เกี่ยวข้องกับประเภทของปฏิกิริยาอะนาโบลิกที่เรามักสังเกตเห็นในชีววิทยา หากมีบางสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับพันธะใน ATP ก็จะไม่ผูกมัดกับพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสอย่างเฉพาะเจาะจง เนื่องจากมีพันธะอื่นๆ มากมายที่ไฮโดรไลซิสส่งผลให้เกิดความแตกต่างด้านลบมากขึ้นในพลังงานอิสระ


รูปที่ 2 พลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสของพันธะประเภทต่างๆ สามารถเปรียบเทียบได้กับพลังงานของการไฮโดรไลซิสของ ATP แหล่งที่มา: http://bio.libretexts.org/Core/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP


ตารางที่ 1. ตารางแสดงโมเลกุลฟอสโฟรีเลตในเซลล์ทั่วไปและพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสตามลำดับ

ลิงค์ภายนอกที่กล่าวถึงพลังของการคัปปลิ้ง ATP ไฮโดรไลซิสกับปฏิกิริยาอื่นๆ


การอภิปราย NB ที่เป็นไปได้ จุด

คุณได้อ่านเกี่ยวกับโมเลกุลที่สำคัญสองประการแล้ว: NADH/NAD+ และ ATP คุณคาดหวังว่าจะได้เห็น NADH/NAD+ ในบริบท/กระบวนการทางชีววิทยาใด แล้วเอทีพีล่ะ? คุณช่วยระบุสิ่งที่คุณรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่าง NADH/NAD+ กับ ATP ได้ไหม ใช้เวลาสักครู่เพื่อระบุช่องว่างในความเข้าใจที่คุณอาจมี คำถามอะไรที่คุณทิ้งไว้หลังจากอ่านข้อความนี้ ช่วยเพื่อนของคุณด้วยคำถาม/การอภิปรายเพื่อเสริมความรู้ของคุณเอง!


การปั่นจักรยานของสระเอทีพี

ค่าประมาณสำหรับจำนวนโมเลกุล ATP ในช่วงเซลล์ของมนุษย์ทั่วไปตั้งแต่ ~3x107 (~5x10-17 โมล ATP/เซลล์) ในเซลล์เม็ดเลือดขาวถึง 5x109 (~9x10-15 โมล ATP/เซลล์) ในเซลล์มะเร็งที่ออกฤทธิ์ แม้ว่าตัวเลขเหล่านี้อาจดูใหญ่และน่าทึ่งอยู่แล้ว แต่ให้พิจารณาว่าคาดว่ากลุ่มของ ATP นี้จะเปลี่ยนไป (กลายเป็น ADP แล้วจึงกลับไปเป็น ATP) 1.5 x ต่อนาที การขยายผลการวิเคราะห์นี้ทำให้ได้ประมาณการว่ามูลค่าการซื้อขายรายวันนี้เทียบเท่ากับน้ำหนักตัวของ ATP หนึ่งตัวที่ได้รับการพลิกกลับต่อวันนั่นคือถ้าไม่มีการหมุนเวียน/รีไซเคิลของ ATP เกิดขึ้น มันจะต้องใช้น้ำหนักตัวของ ATP หนึ่งค่าสำหรับร่างกายมนุษย์ในการทำงาน ดังนั้นลักษณะก่อนหน้านี้ของเราของ ATP ว่าเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทพลังงาน "ระยะสั้น" สำหรับเซลล์

ในขณะที่แหล่งรวมของ ATP/ADP อาจถูกนำกลับมาใช้ใหม่ พลังงานบางส่วนที่ถูกถ่ายโอนในการแปลงจำนวนมากระหว่าง ATP, ADP และชีวโมเลกุลอื่นๆ ก็จะถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งแวดล้อมเช่นกัน เพื่อที่จะรักษาแหล่งรวมพลังงานของเซลล์ พลังงานต้องถ่ายเทมาจากสิ่งแวดล้อมเช่นกัน พลังงานนี้มาจากไหน? คำตอบขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่มีอยู่มากมาย และกลไกใดที่ธรรมชาติได้พัฒนาขึ้นเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากสิ่งแวดล้อมไปยังตัวพาระดับโมเลกุล เช่น ATP อย่างไรก็ตาม ในเกือบทุกกรณี กลไกของการถ่ายโอนได้พัฒนาขึ้นเพื่อรวมรูปแบบของเคมีรีดอกซ์บางรูปแบบ

ในส่วนนี้และส่วนต่อจากนี้ เราเกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ตัวอย่างที่สำคัญของการถ่ายโอนพลังงานจากสิ่งแวดล้อม ประเภทสำคัญของเคมีและปฏิกิริยาทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ และปฏิกิริยาทางชีวภาพที่สำคัญและส่วนประกอบของเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของพลังงานระหว่างส่วนต่างๆ ของ ระบบการดำรงชีวิต อันดับแรก เรามุ่งเน้นที่ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง (อีกครั้ง) ของ ATP ในเซลล์ (ไม่ใช่ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการสร้างนิวคลีโอไทด์ต่อ se แต่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนฟอสเฟตไปยัง AMP และ ADP)

ลิงค์วิดีโอ

สำหรับมุมมองอื่น - รวมถึงสถานที่ที่คุณจะเห็น ATP ใน Bis2a ดูวิดีโอนี้ (10 นาที) โดยคลิกที่นี่

เซลล์สร้าง ATP ได้อย่างไร

กลไกต่างๆ เกิดขึ้นในช่วง 3.25 พันล้านปีของวิวัฒนาการเพื่อสร้าง ATP จาก ADP และ AMP กลไกเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นการปรับเปลี่ยนในสองรูปแบบ: การสังเคราะห์โดยตรงของ ATP หรือการสังเคราะห์ทางอ้อมของ ATP ด้วยกลไกพื้นฐานสองแบบที่รู้จักกันตามลำดับ NSฟอสโฟรีเลชั่นระดับพื้นผิว (SLP) และ ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น. กลไกทั้งสองอาศัยปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งพลังงานบางส่วนไปยัง ADP หรือ AMP เพื่อสังเคราะห์ ATP หัวข้อเหล่านี้มีความสำคัญ ดังนั้นจะมีการหารือในรายละเอียดในสองสามโมดูลถัดไป