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W2017_Lecture_11_reading - Biologie

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Stoffwechsel in Bis2A

Der Zellstoffwechsel macht ungefähr 1/3 des Bis2A-Curriculums aus. Sie lernen einige gängige chemische Umwandlungen kennen, die mit der Umwandlung der molekularen Bausteine ​​des Lebens verbunden sind, und verschiedene grundlegende Arten der Energieübertragung, die Ihnen in der Biologie häufig begegnen. Die zuvor eingeführten Rubriken Energiegeschichte und Designherausforderungen werden in den nächsten Modulen und darüber hinaus immer wichtiger.

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

  1. Wir haben uns auf die Identifizierung und die chemischen Eigenschaften gängiger biologischer funktioneller Gruppen konzentriert. Während wir in den Stoffwechsel eintauchen, wird Ihnen dies helfen, sich vertraut zu machen und manchmal sogar die chemische Natur / Reaktivität von Verbindungen vorherzusagen, die Sie noch nie zuvor gesehen haben.
  2. Wir haben geübt, Moleküle zu erkennen und in vier funktionelle Hauptgruppen zu klassifizieren. Dies wird Ihnen helfen, wenn wir beginnen zu diskutieren, wie diese Moleküle aufgebaut und abgebaut werden.
  3. Wir haben einige grundlegende Thermodynamiken erlernt, die uns einen gemeinsamen Satz von Konzepten geben, mit denen wir diskutieren können, ob eine biochemische Reaktion oder ein Prozess wahrscheinlich abläuft und wenn ja, in welche Richtung und wie schnell. Dies wird von entscheidender Bedeutung sein, wenn wir beginnen, einige der wichtigsten Arten von Reaktionen zu betrachten, die im Stoffwechsel stattfinden.
  4. Wir haben die Rubrik Energiegeschichte gelernt und geübt. Auch dies wird es uns ermöglichen, neue biochemische Reaktionen und Prozesse systematisch zu untersuchen und mit einer gemeinsamen Sprache und Vorgehensweise zu diskutieren, die konsistent ist und die Erkenntnisse aus der Thermodynamik verstärkt.

Stoffwechselmodule

  • Sie werden in ein wichtiges Konzept namens . eingeführt Reduktionspotential und Sie erhalten die Möglichkeit, einen Redox-Turm zu nutzen. In Ihrem Diskussionshandbuch finden Sie auch eine Diskussion zur Redoxchemie. Stellen Sie sicher, dass Sie beide Ressourcen verwenden.
  • Sie werden mit zwei Hauptakteuren des Stoffwechsels, ATP und NADH, vertraut gemacht. Es wird von Ihnen erwartet, dass Sie ihre Strukturen erkennen, wenn Sie sie in einer Prüfung zeigen.
  • Der Stoffwechselweg Glykolyse wird ausführlich behandelt. Denken Sie daran, dass wir möchten, dass Sie sich jede Reaktion ansehen und uns eine Energiegeschichte dieser Reaktion erzählen können. Sie sollten auf keinen Fall Zeit damit verbringen, sich diese Pfade zu merken (obwohl es enorm hilfreich ist, sich an einige große Dinge zu erinnern - diese werden betont). Oftmals geben wir Ihnen den Weg als Zahl bei den Prüfungen an. Die Glykolyse produziert letztendlich 2 ATP über einen Prozess, der als Phosphorylierung auf Substratebene, 2 NADH und 2 Pyruvatverbindungen bezeichnet wird.
  • Wir werden die Reaktionen des TCA-Zyklus verwenden, um mehrere Beispiele für Energiegeschichten zu erstellen. Der TCA-Zyklus produziert auch mehr ATP, NADH und oxidiert Glukose vollständig zu CO2.
  • Wir werden uns einen alternativen Weg zum TCA-Zyklus ansehen, die Fermentation. In der Fermentation wird NADH zum ersten Mal als Reaktionspartner in einer Stoffwechselreaktion eingesetzt.
  • Wir werden NADH bis zum Ende seiner Reise begleiten, da es seine Elektronen an die Elektronentransportkette (ETC) abgibt. In diesem Modul müssen Sie in der Lage sein, einen Redox-Tower zu verwenden. Der ETC erzeugt einen Protonengradienten. Dabei wird kein ATP direkt generiert. Der Protonengradient wird dann jedoch von der Zelle (unter anderem) verwendet, um ein Enzym namens ATP-Synthase laufen zu lassen, das die Reaktion ADP + Pi --> ATP katalysiert. Diese Methode der ATP-Produktion (als oxidative Atmung bezeichnet) führt dazu, dass viel mehr ATP produziert wird als die Phosphorylierung auf Substratebene.
  • Und schließlich werden wir den Prozess der Photosynthese durchgehen.

Reduktions-/Oxidationsreaktionen

Kurzer Überblick über die Redoxchemie und den Redoxturm

Eine Oxidation-Reduktion (redox) Reaktion ist eine Art chemischer Reaktion, bei der Elektronen zwischen zwei Verbindungen oder Atomen übertragen werden. Die Übertragung eines Elektrons von einem neutralen Natrium (Na) auf neutrales Chlor (Cl) führt beispielsweise zu einem positiv geladenen Natrium (Na+)-Ion und negativ geladenes Chlorid (Cl-)-Ion ist eine Redoxreaktion. Eine Oxidationsreaktion entfernt ein Elektron von einem Atom in einer Verbindung, und die Addition dieses Elektrons an eine andere Verbindung ist eine Reduktionsreaktion. Da Oxidation und Reduktion normalerweise zusammen auftreten, werden diese Reaktionspaare als Oxidations-Reduktions-Reaktionen bezeichnet, oder Redoxreaktionen. Redoxreaktionen sind für einige der grundlegenden Funktionen des Lebens üblich und lebenswichtig, einschließlich Photosynthese, Atmung, Verbrennung und Korrosion oder Rosten.

Jede Rot/Ox-Reaktion kann man sich als 2 Halbreaktionen vorstellen, bei einer Halbreaktion verliert eine Verbindung Elektronen und bei der zweiten Halbreaktion nimmt eine andere Verbindung Elektronen auf. Die bei einer Redoxreaktion übertragene Energiemenge hängt mit der Differenz des Reduktionspotentials der einzelnen Halbreaktionen zusammen, E0'. Der Elektronenturm ist ein Werkzeug, das verschiedene gängige Halbreaktionen (und damit verschiedene Verbindungen) nach ihrer Wahrscheinlichkeit einordnet, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Je niedriger, negativer, das elektrochemische Potential für jede Halbreaktion, desto weniger wahrscheinlich ist es, dass die Verbindung ein Elektron "annimmt". Normalerweise können reduzierte Verbindungen (z. B. haben "zusätzliche" Elektronen) Elektronen an oxidierte (z. B. "fehlende" Elektronen) Verbindungen mit höheren Reduktionspotentialen "spenden". Im Allgemeinen können oxidierte Verbindungen Elektronen von reduzierten Verbindungen mit niedrigeren Reduktionspotentialen "annehmen". Die Verwendung des Elektronenturms wird deutlicher, wenn wir in einigen Modulen Elektronentransportketten diskutieren.

Notiz

Die Verwendung der anthropomorphen Begriffe "spenden" und "akzeptieren" in der obigen Beschreibung. Die Atome wirken nicht wohltätig, die Übertragungen von Elektronen sind nur mit der grundlegenden Atomphysik verbunden. Wir haben auch die Begriffe "zusätzliche Elektronen" und "einige Elektronen fehlen" zur Beschreibung verwendet. Es ist schwierig zu definieren, was "extra" und "fehlend" konkret bedeuten. In der Biologie beziehen sich "extra" und "fehlend" normalerweise auf einen von mehreren Zuständen (oft zwei), in denen das fragliche Atom/Molekül bekanntermaßen existiert.

Hinweis: Mögliche Diskussion

Manchmal listet ein Redoxturm Verbindungen in der Reihenfolge abnehmender Redoxpotentiale auf (hohe Werte oben und niedrige Werte unten). Ändert dies das Redoxpotential einer Verbindung im Vergleich zu einer Tabelle, die Verbindungen in aufsteigender Reihenfolge auflistet, wie oben beschrieben?

Reduktions-Oxidations-Reaktionen

In diesem Kurs werden wir uns auf biologisch assoziierte REDOX-Reaktionen konzentrieren. Die Mehrheit der von uns diskutierten Reaktionen findet im Kontext von Stoffwechselwegen (verbundene Sätze von Stoffwechselreaktionen) statt, bei denen Verbindungen von der Zelle aufgenommen, in kleinere Teile zerlegt und dann wieder zu größeren Makromolekülen zusammengesetzt werden können.

Beginnen wir mit einigen generischen Reaktionen

Die Übertragung von Elektronen zwischen zwei Verbindungen führt dazu, dass eine dieser Verbindungen ein Elektron verliert und eine der Verbindungen ein Elektron gewinnt. Sehen Sie sich zum Beispiel die Abbildung unten an. Wenn wir die Rubrik "Energiegeschichte" verwenden, um die Gesamtreaktion zu betrachten, können wir die Vorher- und Nachher-Eigenschaften der Reaktanten und Produkte vergleichen. Was passiert mit der Materie (Zeug) vor und nach der Reaktion? Verbindung A beginnt als neutral und wird positiv geladen. Verbindung B beginnt als neutral und wird negativ geladen. Da Elektronen negativ geladen sind, können wir die Bewegung der Elektronen von Verbindung A nach B anhand der Ladungsänderung verfolgen. A verliert ein Elektron (wird positiv geladen), und dabei sagen wir, dass A oxidiert ist. Oxidationist mit dem Verlust von Elektron(en) verbunden. B gewinnt das Elektron (wird negativ geladen), und wir sagen, dass B reduziert wurde. Die Ermäßigungist mit einer Elektronenaufnahme verbunden. Wir wissen auch, da etwas passiert ist, dass Energie in diesem Prozess entweder übertragen und/oder umorganisiert worden sein muss und wir werden dies in Kürze betrachten.

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

Eine generische Redoxreaktion. Die volle Reaktion ist A + B geht zu A+ + B-. Die beiden Halbreaktionen sind in der blauen Box dargestellt. A wird durch die Reaktion oxidiert und B wird durch die Reaktion reduziert.

Wenn ein Elektron oder mehrere Elektronen verloren gehen oder ein Molekül oxidiert, das/die Elektron(en) muss/müssen dann auf ein anderes Molekül übergehen. Das Molekül, das das Elektron aufnimmt, heißt reduziert. Die Oxidations- und Reduktionsreaktionen sind immer gepaart in einem sogenannten an Oxidations-Reduktions-Reaktion (auch Rot/Ox-Reaktion genannt).

Zur Betonung: In Bis2a erwarten wir, dass Sie sich mit dieser Terminologie vertraut machen. Versuchen Sie, es so schnell wie möglich zu lernen und zu verwenden - wir werden die Begriffe häufig verwenden und haben nicht die Zeit, sie jedes Mal zu definieren.

Denken Sie an die Definitionen:

Die halbe Reaktion

Um unser gemeinsames Verständnis von Red/Ox-Reaktionen zu formalisieren, führen wir das Konzept der Halbreaktion ein. Für die vollständige Rot/Ox-Reaktion sind zwei Halbreaktionen erforderlich. Jede Halbreaktion kann man sich als Beschreibung dessen vorstellen, was mit einem der beiden an der Rot/Ox-Reaktion beteiligten Moleküle passiert. Dies ist unten dargestellt. In diesem Beispiel wird Verbindung AH durch Verbindung B . oxidiert+; Elektronen bewegen sich von AH nach B+ A . erzeugen+ und BH. Jede Reaktion kann man sich als zwei Halbreaktionen vorstellen: wobei AH oxidiert wird und eine zweite Reaktion, bei der B+ wird auf BH reduziert. Diese beiden Reaktionen werden berücksichtigt gekoppelt, ein Begriff, der angibt, dass diese beiden Reaktionen gleichzeitig ablaufen.

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

Hinweis: Mögliche Diskussion

Wenn Sie eine generische Redoxreaktion betrachten und auf die thermodynamischen Vorlesungen zurückdenken, welcher Faktor bestimmt, ob eine Redoxreaktion spontan in eine bestimmte Richtung "geht" und was könnte ihre Geschwindigkeit bestimmen?

Reduktionspotenzial

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

Was ist diese intrinsische Eigenschaft, Elektronen anzuziehen?

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

Hinweis: Mögliche Diskussion

Umformulieren Sie für sich selbst: Wie beschreiben oder denken Sie über den Unterschied zwischen dem Konzept der Elektronegativität und des Redoxpotentials?

Der Redox-Turm

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

Ein Elektronenturm ist unten gezeigt.

Gewöhnlicher Red/Ox-Turm, der in Bis2A verwendet wird. Konventionell werden die Turmhälftenreaktionen mit der oxidierten Form der Verbindung links und der reduzierten Form rechts geschrieben. An der Spitze des Turms befinden sich Verbindungen, die ausgezeichnete Elektronendonatoren abgeben. Verbindungen wie Glucose und Wasserstoffgas sind ausgezeichnete Elektronendonatoren. Beachten Sie, dass sie sich auf der rechten Seite der Halbreaktionen des Rot/Ochsen-Paares befinden. Am anderen Ende des Turms befinden sich Verbindungen, die ausgezeichnete terminale Elektronenakzeptoren abgeben, wie Sauerstoff und Nitrit. Diese Verbindungen befinden sich auf der linken Seite des Rot/Ox-Paares und haben ein positives E0' Wert.

Video zum Elektronenturm

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

Was ist die Beziehung zwischen E0' und G?

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

Generische Redoxreaktion mit Halbreaktionen geschrieben mit Reduktionspotential (E0') der beiden angegebenen Halbreaktionen.

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

Die Nernst-Gleichung bezieht die freie Energie einer Redoxreaktion auf die Differenz des Reduktionspotentials zwischen den reduzierten Reaktionsprodukten und dem oxidierten Reaktanten.
Namensnennung: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Woher:

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

Notiz

Was Sie beachten sollten ist, dass ΔG und ΔE eine inverse Beziehung haben: Wenn ΔG positiv ist, ist ΔE negativ und wenn ΔG negativ ist, ist ΔE positiv. Weitere Informationen finden Sie in der Redox-Diskussion im Bis2A-Diskussionshandbuch.

Einführung in mobile Energieträger

Abschnittszusammenfassung

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

Eigenschaften wichtiger zellulärer molekularer Energieträger

  • Wir stellen uns die Energieträger als in "Pools" verfügbarer Träger vor. Analog könnte man diese mobilen Energieträger analog zu den Zustellfahrzeugen der Paketboten betrachten – das Unternehmen verfügt über einen gewissen „Pool“ an verfügbaren Fahrzeugen, die jederzeit zur Abholung und Zustellung zur Verfügung stehen.
  • Jeder einzelne Träger im Pool kann in einem von mehreren unterschiedlichen Zuständen existieren: Er trägt entweder eine "Ladung" von Energie, eine Teilladung oder ist "leer". Das Molekül kann sich zwischen "beladen" und leer umwandeln und somit recycelt werden. Analog dazu können die Lieferfahrzeuge entweder Pakete tragen oder leer sein und zwischen diesen Zuständen wechseln.
  • Das Gleichgewicht oder Verhältnis im Pool zwischen „beladenen“ und „unbeladenen“ Trägern ist wichtig für die Zellfunktion, wird von der Zelle reguliert und kann uns oft etwas über den Zustand einer Zelle sagen. Ebenso überwacht ein Paketdienst genau, wie voll oder leer seine Lieferfahrzeuge sind - wenn sie zu voll sind, können nicht genügend "leere" LKWs zur Verfügung stehen, um neue Pakete abzuholen; wenn sie zu leer sind, muss das Geschäft nicht gut laufen oder es wird geschlossen; Für verschiedene Situationen gibt es ein angemessenes Gleichgewicht.

In diesem Kurs werden wir zwei Haupttypen von molekularen recycelbaren Energieträgern untersuchen: (1) die Adeninnukleotide, insbesondere: Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+), ein naher Verwandter Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+), und Flavinadenindinukleotid (FAD2+) und (2) Nukleotidmono-, -di- und -triphosphate, unter besonderer Berücksichtigung von Adenosintriphosphat (ATP). Jede dieser beiden Arten von Molekülen ist an der Energieübertragung beteiligt, die verschiedene Klassen chemischer Reaktionen umfasst. Adeninnukleotide sind hauptsächlich mit der Redoxchemie verbunden, während die Nukleotidtriphosphate mit Energieübertragungen verbunden sind, die mit der Hydrolyse oder Kondensation von anorganischen Phosphaten verbunden sind.

Redoxchemie und Elektronenträger

Die Oxidation oder Entfernung eines Elektrons aus einem Molekül (ob mit der Entfernung eines begleitenden Protons verbunden oder nicht) führt zu einer Änderung der freien Energie für dieses Molekül - Materie, innere Energie und Entropie haben sich alle während des Prozesses geändert . Ebenso ändert die Reduktion (der Elektronenzuwachs) eines Moleküls auch seine freie Energie. Die Größe der Änderung der freien Energie und ihre Richtung (positiv oder negativ) für eine Redoxreaktion bestimmt die Spontaneität der Reaktion und wie viel Energie übertragen wird. In biologischen Systemen, in denen ein großer Teil der Energieübertragung über Redoxreaktionen erfolgt, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Reaktionen vermittelt werden, und über Ideen oder Hypothesen nachzudenken, warum diese Reaktionen in vielen Fällen durch eine kleine Familie von Elektronenträgern vermittelt werden .

Notiz

Mögliche Diskussion: Das Problem, auf das in der vorherigen Diskussionsfrage angespielt wurde, ist ein guter Ausgangspunkt, um die Rubrik Design-Herausforderungen einzubringen. Wenn Sie sich erinnern, werden Sie im ersten Schritt der Rubrik aufgefordert, ein Problem oder eine Frage zu definieren. Stellen wir uns in diesem Fall vor, dass es ein Problem zu definieren gibt, für das die folgenden mobilen Elektronenträger der Natur geholfen haben, es zu lösen.

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

Design-Herausforderung für Redox-Träger

  • Welche Probleme wurden durch die Entwicklung mobiler Elektronen/Redox-Träger gelöst?
  • Im nächsten Schritt der Design Challenge werden Sie aufgefordert, Kriterien für erfolgreiche Lösungen zu identifizieren. Was sind Erfolgskriterien für das von Ihnen identifizierte Problem?
  • In Schritt 3 der Design-Challenge werden Sie aufgefordert, mögliche Lösungen zu identifizieren. Nun, hier hat die Natur einige für uns identifiziert - wir betrachten drei in der folgenden Lesung. Es sieht so aus, als ob die Natur glücklich ist, mehrere Lösungen für das Problem zu haben.
  • Im vorletzten Schritt der Rubrik „Design Challenge“ werden Sie aufgefordert, die vorgeschlagenen Lösungen anhand der Erfolgskriterien zu bewerten. Dies sollte Sie dazu bringen, darüber nachzudenken / zu diskutieren, warum es mehrere verschiedene Elektronenträger gibt? Gibt es unterschiedliche Erfolgskriterien? Lösen sie jeweils leicht unterschiedliche Probleme? Was denken Sie? Halten Sie Ausschau, während wir den Stoffwechsel nach Hinweisen durchsuchen.

NAD+/H und FADH/H2

In lebenden Systemen fungiert eine kleine Klasse von Verbindungen als Elektronentransporter: Sie binden und transportieren Elektronen zwischen Verbindungen auf verschiedenen Stoffwechselwegen. Die wichtigsten Elektronenüberträger, die wir betrachten werden, stammen von der B-Vitamingruppe und sind Derivate von Nukleotiden. Diese Verbindungen können in Abhängigkeit vom Reduktionspotential eines potentiellen Elektronendonors oder -akzeptors, zu dem und von dem sie Elektronen übertragen könnten, sowohl reduziert (dh sie nehmen Elektronen aufnehmen) als auch oxidiert (sie verlieren Elektronen) werden. Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) (die Struktur ist unten gezeigt) wird von Vitamin B . abgeleitet3, Niacin. NAD+ ist die oxidierte Form des Moleküls; NADH ist die reduzierte Form des Moleküls, nachdem es zwei Elektronen und ein Proton aufgenommen hat (die zusammen einem Wasserstoffatom mit einem zusätzlichen Elektron entsprechen).

Wir erwarten, dass Sie sich die beiden Formen von NAD+/NADH einprägen, wissen, welche die oxidierte und welche die reduzierte Form ist, und in der Lage sein, jede Form vor Ort im Kontext einer chemischen Reaktion zu erkennen.

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

Ein kleiner Wortschatzüberblick: Wenn Elektronen zu einer Verbindung hinzugefügt werden, heißt es, dass die Verbindung reduziert. Eine Verbindung, die eine andere reduziert (Elektronen abgibt), heißt a Reduktionsmittel. In der obigen Gleichung ist RH ein Reduktionsmittel und NAD+ wird auf NADH reduziert. Wenn Elektronen aus einer Verbindung entfernt werden, wird sie oxidiert. Eine Verbindung, die eine andere oxidiert, heißt an Oxidationsmittel. In der obigen Gleichung ist NAD+ ein Oxidationsmittel und RH wird zu R oxidiert.

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

Sie werden auch einer zweiten Variation von NAD . begegnen+, NADP+. Es ist strukturell sehr ähnlich zu NAD+ Es enthält jedoch eine zusätzliche Phosphatgruppe und spielt eine wichtige Rolle bei anabolen Reaktionen wie der Photosynthese. Ein weiterer nukleotidbasierter Elektronenträger, dem Sie in diesem Kurs und darüber hinaus begegnen werden, ist das Flavinadenindinukleotid (FAD+) wird aus Vitamin B . gewonnen2, auch Riboflavin genannt. Seine reduzierte Form ist FADH2. Lernen Sie diese Moleküle auch als Elektronenträger zu erkennen.

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

NAD+ wird von der Zelle verwendet, um Elektronen von Verbindungen "abzuziehen" und sie an andere Stellen innerhalb der Zelle zu "tragen", daher werden sie als bezeichnet Elektronenüberträger. NAD+/H-Verbindungen werden in vielen der Stoffwechselprozesse verwendet, die wir in dieser Klasse besprechen werden. Zum Beispiel in seiner oxidierten Form NAD+ wird als Reaktant in der Glykolyse und im TCA-Zyklus verwendet, während es in seiner reduzierten Form (NADH) ein Reaktant in der Fermentation und der Elektronentransportkette (ETC) ist. Jeder dieser Prozesse wird in späteren Modulen besprochen.

Energiegeschichte für eine Redoxreaktion

***Als Faustregel gilt, wenn wir NAD sehen+/H als Reaktant oder Produkt wissen wir, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.***

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

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

In der obigen Abbildung sehen wir die Reaktion von Pyruvat zu Milchsäure, gekoppelt mit der Umwandlung von NADH in NAD+. Diese Reaktion wird durch LDH katalysiert. Mit unserer obigen „Faustregel“ kategorisieren wir diese Reaktion als Redoxreaktion. NADH ist die reduzierte Form des Elektronenträgers und NADH wird in NAD . umgewandelt+. Diese Hälfte der Reaktion führt zur Oxidation des Elektronenträgers. Pyruvat wird bei dieser Reaktion in Milchsäure umgewandelt. Beide Zucker sind negativ geladen, so dass es schwierig wäre, anhand der Ladungen der Verbindungen zu erkennen, welche Verbindung stärker reduziert wird. Wir wissen jedoch, dass Pyruvat zu Milchsäure reduziert wurde, da diese Umwandlung an die Oxidation von NADH zu NAD . gekoppelt ist+. Aber wie können wir feststellen, dass Milchsäure stärker reduziert ist als Pyruvat? Die Antwort besteht darin, sich die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in beiden Verbindungen anzusehen. Wenn Elektronen übertragen werden, werden sie oft von einem Wasserstoffatom begleitet. Es gibt insgesamt 3 C-H-Bindungen im Pyruvat und insgesamt 4 C-H-Bindungen in Milchsäure. Wenn wir diese beiden Verbindungen im Vorher- und Nachher-Zustand vergleichen, sehen wir, dass Milchsäure eine C-H-Bindung mehr hat, daher ist Milchsäure stärker reduziert als Pyruvat. Dies gilt für mehrere Verbindungen. In der folgenden Abbildung sollten Sie beispielsweise in der Lage sein, die Verbindungen von den meisten bis zu den am wenigsten reduzierten zu ordnen, wobei Sie die C-H-Bindungen als Richtlinie verwenden.

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

Diese Reaktion zeigt die Umwandlung von G3P, Pi, NAD+ in NADH und 1,3-BPG. Diese Reaktion wird durch die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysiert.

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

Lassen Sie uns eine Energiegeschichte für die obige Reaktion machen.

Lassen Sie uns zunächst die Reaktanten und Produkte charakterisieren. Die Reaktanten sind Glyceraldehyd-3-phosphat (eine Kohlenstoffverbindung), Pi (anorganisches Phosphat) und NAD+. Diese drei Reaktanten gehen eine chemische Reaktion ein, um zwei Produkte herzustellen, NADH und 1,3-Bisphosphoglycerat. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie feststellen, dass das 1,3-BPG zwei Phosphate enthält. Dies ist wichtig, wenn wir überprüfen, ob keine Masse verloren gegangen ist. Da die Reaktionspartner zwei Phosphate enthalten, müssen die Produkte zwei Phosphate enthalten (Masseerhaltung!). Sie können überprüfen, ob auch alle anderen Atome berücksichtigt werden. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, heißt Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase. Die Standardänderung der freien Energie dieser Reaktion beträgt ~6,3 kJ/mol, so dass wir unter Standardbedingungen sagen können, dass die freie Energie der Produkte höher ist als die der Reaktanten und dass diese Reaktion unter Standardbedingungen nicht spontan ist.

Was können wir über diese durch die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion sagen?

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

Empfohlene Diskussion

Wir werden einige Zeit damit verbringen, die durch die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion genauer zu untersuchen, während wir uns durch die Vorlesungen und den Text bewegen. Das erste, was hier zu diskutieren ist, ist, dass die obige Abbildung eine stark vereinfachte oder komprimierte Version der stattfindenden Schritte ist – man könnte diese Reaktion tatsächlich in ZWEI konzeptionelle Reaktionen aufteilen. Können Sie sich vorstellen, was diese beiden "Unterreaktionen" sein könnten? Diskutieren Sie untereinander.

Rempfohlene Diskussion

Der obige Text weist darauf hin, dass die Standardänderung der freien Energie für diese komplexe Reaktion ~+6,3 kJ/mol beträgt. Unter Standardbedingungen ist diese Reaktion NICHT spontan. Dies ist jedoch eine der Schlüsselreaktionen bei der Oxidation von Glucose. Es muss in die Zelle gehen. Die Fragen lauten: Warum ist es wichtig, Dinge wie "Standardänderung der freien Energie" oder "unter Standardbedingungen" zu beachten, wenn ΔG° gemeldet wird? Was könnte möglicherweise in der Zelle vorgehen, um eine unter Standardbedingungen endergonische Reaktion "gehen" zu lassen?


Vortragsübersicht

Diese Gliederung ist vorläufig und kann sich im Verlauf des Kurses ändern. Die aktuelle Gliederung finden Sie immer auf dieser Kurs-Website.

Psychische Erkrankungen und alle sprachbezogenen Vorträge jetzt aktualisiert

Siehe Psychische Erkrankungen für neue ergänzende Lektüre &amp &amp Version 3 des Scz-Positionspapiers

Was IST Biologie des Geistes?

1) Trolley-Problem (HO) , Artikel [link]

3) Grundlegende Topologie des Gehirns (Bloom Ch 1)

Die zelluläre und chemische Maschinerie des Gehirns I - das Neuron - Aktionspotential

Die zellulare und chemische Maschinerie des Gehirns II - die Synapse

2)2 Videos (V 24, V 25- siehe in Vorlesungslinks)

Entwicklung des Gehirns und seine Lebensdauer I

1) Vorlesungs-[Link]-Videos (1 Video V.7)

2) Artikel (HO Neue Parkinson-Gene

3) Artikel Ramachandran Buch (HO)

Sensation I - allgemeines Körpergefühl

Sensation II - besondere Sinne (Sehen, Hören)

Bewegung und die motorischen Systeme I

1) Vorgelesener Artikel „Das Leben ins Auge fassen.“ [Link]

Bewegung und die motorischen Systeme II

Das autonome Gehirn - Homöostase I

Das autonome Gehirn - Homöostase II

Gehirnrhythmen I - Biologische Zyklen 1

3) plus mehr über Steroidmechanismen

Gehirnrhythmen I - Biologische Zyklen II -(Desynchronisation- Schichtarbeit, Jetlag)

Brain Rhythms III - Biologische Zyklen (genetische Grundlage)

Brain Rhythms IV - Gastvortrag - Dr. Bernie Possidente

Das emotionale Gehirn I - Höhen und Tiefen des Gehirns

Das emotionale Gehirn II - Höhen und Tiefen des Gehirns

Das emotionale Gehirn III - Höhen und Tiefen des Gehirns

Lernen und Gedächtnis im Gehirn I - wo 1?

3) im Vorlesungslink HM-Beschreibung (Gaz)

Lernen und Gedächtnis im Gehirn I - wie 1?

2) Unsere Erinnerungen. Link innerhalb der Vorlesung

Lernen und Gedächtnis im Gehirn - III - wie 2?

2) HO - Intelligente Mäuse, Tiere in der Forschung

Die Biologie des Denkens und des Bewusstseins I - Sprache-im-Gehirn

Schizophrenie & fMRT-Forschung - Dr. Ben Brendt - Gastvortrag

Die Biologie des Denkens und des Bewusstseins II - zerebrale Dominanz

Die Biologie des Denkens und des Bewusstseins III - Split-Brain-Beweise

Höhere Funktion IV (abgeschlossen) 1) Split Brain abgeschlossen, Legasthenie, 2) Aufmerksamkeit

2) Vorlesung Aufmerksamkeit & ihre Störungen/ Balint's & Neglect Syndrome [link]

Der gestörte Geist I - Geisteskrankheit und ihre biologische Behandlung - Schizophrenie

siehe Dr. Brent 19 Apr - Positionspapier Schizophrenie [Link] Ver 3 + Handout lesen

The Malfunctioning Mind II - Psychische Erkrankungen und ihre biologische Behandlung - Mehr über Schizophrenie, Depression

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Prüfung III - Registrar geplant

Merken Sie sich gut: 1) Während Vorlesungs-/Prüfungsthemen und -daten wie oben aufgeführt festgelegt sind, können alle Materialien unter der Update-Warnung ist entweder projiziert oder aus der letzten Ausgabe des Kurses & Änderungen vorbehalten und werden nur zu Ihrer Bequemlichkeit veröffentlicht. 2) Sie können mit einer beträchtlichen Anzahl zusätzlicher primärer Messwerte rechnen (jetzt TBA aufgeführt). Die Gliederung wird bei Bedarf fortlaufend mit Links zu diesen aktualisiert.



Bemerkungen:

  1. Kiley

    Ich entschuldige mich, aber meiner Meinung nach begehen Sie einen Fehler. Ich kann die Position verteidigen. Schreib mir per PN, wir kommunizieren.

  2. Camp

    Ich habe nicht sehr gut verstanden.



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