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Vorlesung 08: Redoxreaktionen - Biologie

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Stoffwechsel in BIS2A

Der Zellstoffwechsel macht etwa 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 chemischen Eigenschaften gängiger biologischer funktioneller Gruppen konzentriert. Während wir in den Stoffwechsel eintauchen, wird Ihnen dies helfen, die chemische Natur/Reaktivität von Verbindungen, die Sie noch nie zuvor gesehen haben, zu kennen und manchmal sogar vorherzusagen.
  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 biochemischer 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.

Ein kurzer Überblick über diesen Abschnitt

  • 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 verfolgen, während 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-Oxidations-Reaktionen

In diesem Kurs konzentrieren wir uns auf Redoxreaktionen die biologisch verbunden sind. Die meisten der von uns diskutierten Reaktionen treten im Kontext von Stoffwechselwegen (verbundene Sätze von Stoffwechselreaktionen) auf, bei denen Verbindungen von der Zelle aufgenommen, in kleinere Teile zerlegt und dann zu größeren Makromolekülen wieder zusammengesetzt werden können.

Beginnen wir mit einigen allgemeinen 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 Energiegeschichte-Rubrik 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.

Abbildung 1. 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.

Figur 2. 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.

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.

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.

Figur 3. 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.

Figur 4. 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. Der Zusammenhang ist durch die Nernst-Gleichung gegeben:

Abbildung 5. 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

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.

Glykolyse: ein Überblick

Organismen, ob einzellig oder vielzellig, müssen Wege finden, um mindestens zwei wichtige Dinge aus ihrer Umgebung zu gewinnen: (1) Materie oder Rohstoffe für den Erhalt einer Zelle und den Aufbau neuer Zellen und (2) Energie, um am Leben zu bleiben und reproduzieren. Energie und Rohstoffe können von unterschiedlichen Orten stammen. Organismen, die Energie hauptsächlich aus Sonnenlicht gewinnen, erhalten beispielsweise Rohstoffe für den Aufbau von Biomolekülen aus Quellen wie CO2. Einige Organismen verlassen sich vertraglich auf Redoxreaktionen mit kleinen Molekülen und/oder reduzierten Metallen zur Energiegewinnung und beziehen ihre Rohstoffe für den Aufbau von Biomolekülen aus Verbindungen, die nicht mit der Energiequelle verbunden sind. Inzwischen haben sich einige Organismen (einschließlich uns selbst) entwickelt, um Energie UND die Rohstoffe für den Aufbau und die Zellerhaltung aus manchmal verbundenen Quellen zu beziehen.

Glykolyse ist die erste Stoffwechselweg diskutiert in BIS2A; ein Stoffwechselweg ist eine Reihe miteinander verbundener biochemischer Reaktionen. Aufgrund ihrer Allgegenwart in der Biologie wird angenommen, dass die Glykolyse wahrscheinlich einer der frühesten Stoffwechselwege war, die sich entwickelt haben (mehr dazu später). Die Glykolyse ist ein zehnstufiger Stoffwechselweg, der sich auf die Verarbeitung von Glukose zur Energiegewinnung aus chemischen Brennstoffen und zur Verarbeitung der Kohlenstoffe in der Glukose zu verschiedenen anderen Biomolekülen konzentriert (von denen einige wichtige Vorläufer vieler viel komplizierterer Biomoleküle sind). . Unsere Untersuchung der Glykolyse wird daher anhand der in der Rubrik Energieherausforderung skizzierten Grundsätze untersucht, die uns auffordern, formal zu berücksichtigen, was in diesem mehrstufigen Prozess mit SOWOHL mit Materie als auch mit Energie passiert.

Die Energiegeschichte und Designherausforderung

Unsere Untersuchung der Glykolyse ist eine gute Gelegenheit, einen biologischen Prozess unter Verwendung sowohl der Energiegeschichte als auch der Rubriken und Perspektiven der Designherausforderung zu untersuchen.

Die Rubrik „Design-Challenge“ wird versuchen, Sie dazu zu bringen, aktiv und umfassend und speziell darüber nachzudenken, warum wir diesen Weg untersuchen – was ist daran so wichtig? Welche "Probleme" kann das Leben durch die Evolution eines glykolytischen Weges lösen oder überwinden? Wir werden auch über alternative Wege nachdenken wollen, um dieselben Probleme zu lösen und warum sie sich möglicherweise entwickelt haben oder nicht. Später werden wir eine Hypothese untersuchen, wie sich dieser Weg – und andere verbundene Wege – tatsächlich entwickelt haben könnten, und es wird sich dann als nützlich erweisen, über alternative Strategien zur Erfüllung verschiedener Einschränkungen nachzudenken.

Im Zusammenhang mit der Energiegeschichte bitten wir Sie, die Glykolyse als einen Prozess zu betrachten, aus dem etwas gelernt werden kann, indem man analysiert, was sowohl mit Materie als auch mit Energie passiert. Das heißt, obwohl es sich um einen biochemischen Weg mit zehn Schritten handelt, schlagen wir vor, dass einige Erkenntnisse gewonnen werden können, indem man den Prozess als eine Reihe von Materie- und Energie-Inputs und -Outputs, einen Prozess mit einem Anfang und einem Ende, sorgfältig untersucht.

Was ist also Glykolyse? Fangen wir an, es herauszufinden.

Abbildung 1. Die zehn biochemischen Reaktionen der Glykolyse werden gezeigt. Enzyme sind blau markiert. Die Struktur jeder von Zucker abgeleiteten Verbindung wird als molekulares Modell dargestellt; andere Reaktanten und Produkte können abgekürzt werden (z. B. ATP, NAD+ usw.). Der Kasten, der die durch die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion umgibt, weist darauf hin, dass diese Reaktion im Verlauf von besonderem Interesse ist. Namensnennung: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Tabelle 1. Diese Tabelle zeigt glykolytische eEnzyme und Messungen der Energie im Standardzustand (ΔG°'/(kJ/mol)) im Vergleich zu Messungen an einer lebenden Zelle (ΔG/(kJ/mol)). Unter Bedingungen konstanter Temperatur und konstantem Druck (ΔG°'/(kJ/mol)) treten Reaktionen in der Richtung auf, die zu einer Abnahme des Wertes der freien Gibbs-Energie führt. Zelluläre G-Messungen können sich aufgrund zellulärer Bedingungen, wie Konzentrationen relevanter Metaboliten usw., dramatisch von ΔG°'-Messungen unterscheiden. Während des Glykolyseprozesses gibt es drei große negative ΔG-Abfälle in der Zelle. Diese Reaktionen gelten als irreversibel und unterliegen häufig einer Regulierung.

EnzymSchrittΔG/(kJ/mol)ΔG°'/(kJ/mol)
Hexokinase1-34-16.7
Phosphoglucose-Isomerase2-2.91.67
Phosphofructokinase3-19-14.2
Fructose-Bisphosphat-Aldolase4-0.2323.9
Triosephosphatisomerase52.47.56
Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase6-1.296.30
Phosphoglyceratkinase70.09-18.9
Phosphoglyceratmutase80.834.4
Enolase91.11.8
Pyruvatkinase10-23.0-31.7

Insgesamt besteht der glykolytische Weg aus 10 enzymkatalysierten Schritten. Der Haupteingang in diesen Stoffwechselweg ist ein einzelnes Glukosemolekül, obwohl wir entdecken werden, dass Moleküle in verschiedenen Schritten in diesen Stoffwechselweg ein- und ausströmen können. Wir werden unsere Aufmerksamkeit auf (1) Konsequenzen des Gesamtprozesses richten, (2) mehrere Schlüsselreaktionen, die wichtige Arten der Biochemie und biochemische Prinzipien hervorheben, die wir auf andere Zusammenhänge übertragen wollen, und (3) alternative Schicksale der Zwischenstufen und Produkte dieses Weges.

Beachten Sie als Referenz, dass die Glykolyse eine anaerob Prozess; bei der Glykolyse ist molekularer Sauerstoff nicht erforderlich (Sauerstoffgas ist kein Reaktant bei einer der chemischen Reaktionen bei der Glykolyse). Die Glykolyse erfolgt in der Zytosol oder Zytoplasma von Zellen. Für ein kurzes (dreiminütiges) YouTube-Übersichtsvideo zur Glykolyse klicken Sie hier.

Erste Hälfte der Glykolyse: Energieinvestitionsphase

Die ersten Schritte der Glykolyse werden typischerweise als "Energieinvestitionsphase" des Stoffwechselweges bezeichnet. Dies ergibt jedoch keinen intuitiven Sinn (im Rahmen einer Design-Herausforderung; es ist nicht klar, welches Problem diese Energieinvestition löst), wenn man die Glykolyse nur als einen "energieerzeugenden" Weg betrachtet und bis zu diesen Schritten der Glykolyse werden in einen breiteren metabolischen Kontext gestellt. Wir werden versuchen, diese Geschichte im Laufe der Zeit aufzubauen. Denken Sie also vorerst daran, dass wir erwähnt haben, dass einige der ersten Schritte oft mit Energieinvestitionen und Ideen wie "Trapping" und "Engagement" verbunden sind, die in der folgenden Abbildung aufgeführt sind.

Schritt 1 der Glykolyse:

Der erste Schritt der Glykolyse, unten in Abbildung 2 gezeigt, ist die Katalyse von Glucose durch Hexokinase, ein Enzym mit breiter Spezifität, das die Phosphorylierung von Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen katalysiert. Hexokinase katalysiert die Phosphorylierung von Glucose, wobei Glucose und ATP Substrate für die Reaktion sind und ein Molekül namens Glucose-6-phosphat und ADP als Produkte produziert.

Figur 2. Die erste Hälfte der Glykolyse wird als Energieinvestitionsphase bezeichnet. In dieser Phase verbraucht die Zelle zwei ATPs für die Reaktionen. Facciotti (Originalwerk)

Diskussionsvorschlag

Der obige Absatz besagt, dass das Enzym Hexokinase eine "breite Spezifität" besitzt. Dies bedeutet, dass es Reaktionen mit verschiedenen Zuckern katalysieren kann, nicht nur mit Glukose. Können Sie aus molekularer Sicht erklären, warum dies der Fall sein könnte? Stellt dies Ihre Vorstellung von Enzymspezifität in Frage? Wenn Sie den Begriff "Enzym-Promiskuität" googeln (keine Sorge, es ist sicher für die Arbeit), gibt Ihnen dies eine breitere Einschätzung der Enzymselektivität und -aktivität?

Die Umwandlung von Glukose in das negativ geladene Glukose-6-phosphat verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die phosphorylierte Glukose die Zelle durch Diffusion durch das hydrophobe Innere der Plasmamembran verlässt, signifikant. Es "markiert" die Glukose auch auf eine Weise, die sie effektiv für verschiedene mögliche Schicksale markiert (siehe Abbildung 3).

Figur 3. Beachten Sie, dass diese Zahl anzeigt, dass Glucose-6-Phosphat in Abhängigkeit von den zellulären Bedingungen auf mehrere Schicksale gelenkt werden kann. Obwohl es Bestandteil des glykolytischen Stoffwechselweges ist, ist es nicht nur an der Glykolyse beteiligt, sondern auch an der Speicherung von Energie als Glykogen (in Cyan) und am Aufbau verschiedener anderer Moleküle wie Nukleotiden (in Rot). Quelle: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Wie Abbildung 3 zeigt, ist die Glykolyse nur ein mögliches Schicksal von Glucose-6-phosphat (G6P). Abhängig von den zellulären Bedingungen kann G6P zur Biosynthese von Glykogen (einer Form der Energiespeicherung) oder zur Biosynthese verschiedener Biomoleküle, einschließlich Nukleotiden, in den Pentosephosphatweg umgeleitet werden. Dies bedeutet, dass G6P, obwohl es am glykolytischen Stoffwechselweg beteiligt ist, in dieser Phase nicht nur für die Oxidation markiert ist. Vielleicht hilft der breitere Kontext, an dem dieses Molekül beteiligt ist (zusätzlich zu der Begründung, dass das Markieren von Glukose mit einem Phosphat die Wahrscheinlichkeit verringert, dass es die Zelle verlässt), den scheinbaren Widerspruch zu erklären (wenn man die Glykolyse nur als "Energie- Herstellungsprozess) Grund für die Energieübertragung von ATP auf Glukose, wenn diese erst später oxidiert werden soll – d.

Schritt 2 der Glykolyse:

Im zweiten Schritt der Glykolyse wird ein Isomerase katalysiert die Umwandlung von Glucose-6-phosphat in eines seiner Isomere, Fructose-6-phosphat. Ein Isomerase ist ein Enzym, das die Umwandlung eines Moleküls in eines seiner Isomere katalysiert.

Schritt 3 der Glykolyse:

Der dritte Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat, katalysiert durch das Enzym Phosphofructokinase. Ein zweites ATP-Molekül spendet ein Phosphat an Fructose-6-Phosphat und produziert Fructose-1,6-bisPhosphat und ADP als Produkte. Bei diesem Stoffwechselweg ist Phosphofructokinase ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym, dessen Aktivität streng reguliert wird. es ist allosterisch aktiviert durch AMP, wenn die AMP-Konzentration hoch ist und wenn es durch ATP an derselben Stelle mäßig allosterisch gehemmt wird. Citrat, eine Verbindung, über die wir bald sprechen werden, wirkt auch negativ allosterisch Regulator dieses Enzyms. Auf diese Weise überwacht oder erfasst die Phosphofructokinase molekulare Indikatoren des Energiestatus der Zellen und kann als Reaktion darauf als Schalter fungieren, der den Fluss des Substrats durch den restlichen Stoffwechselweg ein- oder ausschaltet, je nachdem, ob „ausreichend“ ATP im System. Die Umwandlung von Fructose-6-Phosphat in Fructose-1,6-Bisphosphat wird manchmal als Verpflichtungsschritt der Zelle zur Oxidation des Moleküls im Rest des glykolytischen Weges bezeichnet, indem sie ein Substrat für den nächsten bildet und dabei hilft, den nächsten energetisch voranzutreiben hoch endergonischer (unter Standardbedingungen) Schritt des Weges.

Diskussionsvorschlag

Wir diskutierten die allosterische Regulation eines Enzyms in früheren Modulen, taten dies jedoch in einem Kontext, in dem das Enzym "allein" war. Betrachten wir nun das Enzym im Zusammenhang mit einem erweiterten Stoffwechselweg(en). Können Sie jetzt ausdrücken, warum die allosterische Regulation funktionell wichtig ist und wie sie verwendet werden kann, um den Fluss von Verbindungen durch einen Stoffwechselweg zu regulieren? Versuchen Sie, sich auszudrücken.

Schritt 4 von Glykolyse:

Im vierten Schritt der Glykolyse spaltet ein Enzym, Fructose-Bisphosphat-Aldolase, 1,6-Bisphosphat in zwei Drei-Kohlenstoff-Isomere: Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehyd-3-phosphat.

Zweite Hälfte: Energierückzahlungsphase

In Abwesenheit anderer Stoffwechselwege hat die Glykolyse die Zelle bisher zwei ATP-Moleküle gekostet und zwei kleine Zuckermoleküle mit drei Kohlenstoffatomen produziert: Dihydroxyacetonphosphat (DAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P). In einem breiteren Kontext betrachtet, scheint diese Investition von Energie zur Herstellung einer Vielzahl von Molekülen, die auf einer Vielzahl anderer Wege verwendet werden können, keine so schlechte Investition zu sein.

Sowohl DAP als auch G3P können die zweite Hälfte der Glykolyse durchlaufen. Wir untersuchen nun diese Reaktionen.

Figur 4. Die zweite Hälfte der Glykolyse wird als Energieauszahlungsphase bezeichnet. In dieser Phase nimmt die Zelle zwei ATP- und zwei NADH-Verbindungen auf. Am Ende dieser Phase ist Glucose teilweise zu Pyruvat oxidiert. Facciotti (Originalwerk).

Schritt 5 der Glykolyse:

Im fünften Schritt der Glykolyse wandelt eine Isomerase das Dihydroxyacetonphosphat in sein Isomer Glyceraldehyd-3-phosphat um. Die Sechs-Kohlenstoff-Glukose wurde daher nun in zwei phosphorylierte Drei-Kohlenstoff-Moleküle von G3P umgewandelt.

Schritt 6 der Glykolyse:

Der sechste Schritt ist der Schlüssel und einer, von dem aus wir nun unser Verständnis der verschiedenen Arten chemischer Reaktionen, die wir bisher untersucht haben, nutzen können. Wenn Sie energieorientiert sind, ist dies schließlich ein Schritt der Glykolyse, bei dem ein Teil des reduzierten Zuckers oxidiert wird. Die Reaktion wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert. Dieses Enzym katalysiert eine mehrstufige Reaktion zwischen drei Substraten – Glyceraldehyd-3-phosphat, dem Cofaktor NAD+, und anorganisches Phosphat (Pich) – und produziert drei Produkte: 1,3-Bisphosphoglycerat, NADH und H+. Man kann sich diese Reaktion als zwei Reaktionen vorstellen: (1) eine Oxidations-/Reduktionsreaktion und (2) eine Kondensationsreaktion, bei der ein anorganisches Phosphat auf ein Molekül übertragen wird. In diesem speziellen Fall ist die Redoxreaktion, ein Elektronentransfer von G3P auf NAD+, ist exergonisch, und die Phosphatübertragung ist zufällig endergonisch. Das Netz Standard Die Änderung der freien Energie schwebt um Null – dazu später mehr. Das Enzym wirkt hier als molekulares Kupplung Mittel, um die Energetik der exergonischen Reaktion an die der endergonischen Reaktion zu koppeln und so beide voranzutreiben. Dieser Prozess läuft über einen mehrstufigen Mechanismus im aktiven Zentrum des Enzyms ab und beinhaltet die chemische Aktivität einer Vielzahl funktioneller Gruppen.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Reaktion von der Verfügbarkeit der oxidierten Form des Elektronenträgers NAD . abhängt+. Wenn wir bedenken, dass es einen limitierenden Pool von NAD . gibt+, können wir daraus schließen, dass die reduzierte Form des Trägers (NADH) kontinuierlich zu NAD . zurückoxidiert werden muss+ um diesen Schritt fortzusetzen. Wenn NAD+ nicht verfügbar ist, verlangsamt sich die zweite Hälfte der Glykolyse oder stoppt.

Schritt 7 der Glykolyse:

Im siebten Schritt der Glykolyse, katalysiert durch Phosphoglyceratkinase (ein Enzym, das nach der Umkehrreaktion benannt ist), überträgt 1,3-Bisphosphoglycerat ein Phosphat auf ADP, wodurch ein Molekül ATP und ein Molekül 3-Phosphoglycerat gebildet werden. Diese Reaktion ist exergonisch und ist auch ein Beispiel für eine Phosphorylierung auf Substratebene.

Mögliche Diskussion

Wenn eine Übertragung eines Phosphats von 1,3-BPG auf ADP exergonisch ist, was sagt das über die freie Hydrolyseenergie des Phosphats von 1,3-BPG im Vergleich zur freien Hydrolyseenergie des terminalen Phosphats auf ATP . aus? ?

Schritt 8 der Glykolyse:

Im achten Schritt wandert die verbleibende Phosphatgruppe in 3-Phosphoglycerat vom dritten Kohlenstoff zum zweiten Kohlenstoff, wodurch 2-Phosphoglycerat (ein Isomer von 3-Phosphoglycerat) entsteht. Das Enzym, das diesen Schritt katalysiert, ist eine Mutase (Isomerase).

Schritt 9 der Glykolyse:

Enolase katalysiert den neunten Schritt. Dieses Enzym bewirkt, dass 2-Phosphoglycerat Wasser aus seiner Struktur verliert; Dies ist eine Dehydratisierungsreaktion, die zur Bildung einer Doppelbindung führt, die die potentielle Energie in der verbleibenden Phosphatbindung erhöht und Phosphoenolpyruvat (PEP) produziert.

Schritt 10 der Glykolyse:

Der letzte Schritt der Glykolyse wird durch das Enzym Pyruvatkinase (das Enzym ist in diesem Fall nach der Umkehrreaktion der Umwandlung von Pyruvat in PEP benannt) katalysiert und führt zur Produktion eines zweiten ATP-Moleküls durch Phosphorylierung auf Substratebene und der Verbindung Brenztraubensäure (oder seine Salzform Pyruvat). Viele Enzyme in enzymatischen Stoffwechselwegen werden nach den Umkehrreaktionen benannt, da das Enzym sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsreaktionen katalysieren kann (diese wurden möglicherweise ursprünglich durch die in vitro unter unphysiologischen Bedingungen ablaufende Rückwärtsreaktion beschrieben).

Ergebnisse der Glykolyse

Hier sind ein paar Dinge zu beachten:

Eines der klaren Ergebnisse der Glykolyse ist die Biosynthese von Verbindungen, die in eine Vielzahl von Stoffwechselwegen eintreten können. Ebenso können Verbindungen aus anderen Stoffwechselwegen an verschiedenen Stellen in die Glykolyse einfließen. Dieser Weg kann also Teil eines zentralen Austauschs für den Kohlenstofffluss innerhalb der Zelle sein.

Wenn die Glykolyse lange genug läuft, wird die ständige Oxidation von Glukose mit NAD+ kann die Zelle mit einem Problem verlassen: wie man NAD . regeneriert+ aus den beiden produzierten NADH-Molekülen. Wenn die NAD+ nicht regeneriert wird, wird das gesamte NAD der Zelle fast vollständig in NADH umgewandelt. Wie regenerieren Zellen NAD .?+?

Pyruvat wird nicht vollständig oxidiert; Es muss noch etwas Energie gewonnen werden. Wie könnte das passieren? Und was soll die Zelle mit all dem NADH machen? Gibt es dort Energie zu extrahieren?

Dringend empfohlene Diskussion/Übung

Können Sie eine Energiegeschichte für den Gesamtprozess der Glykolyse schreiben? Sorgen Sie sich bei Energiebegriffen nur darum, die Dinge dahingehend zu beschreiben, ob sie exergonisch oder endergonisch sind. Wenn ich "Gesamtprozess" sage, meine ich Gesamtprozess: Glucose sollte auf der Reaktantenseite des Pfeils aufgeführt sein und Pyruvat sollte auf der Produktseite des Pfeils aufgeführt sein.

Phosphorylierung auf Substratebene (SLP)

Der einfachste Weg zur Synthese von ATP ist die Phosphorylierung auf Substratebene. ATP-Moleküle werden als direktes Ergebnis einer chemischen Reaktion erzeugt (d. h. aus ADP regeneriert), die in katabolen Stoffwechselwegen stattfindet. Eine Phosphatgruppe wird von einem Zwischenreaktanten im Reaktionsweg entfernt, und die freie Energie der Reaktion wird verwendet, um das dritte Phosphat an ein verfügbares ADP-Molekül zu addieren, wodurch ATP entsteht. Diese sehr direkte Methode der Phosphorylierung heißt Phosphorylierung auf Substratebene. Es kann in einer Vielzahl von katabolen Reaktionen gefunden werden, vor allem in zwei spezifischen Reaktionen der Glykolyse (auf die wir später noch eingehen werden). Es genügt zu sagen, dass ein hochenergetisches Zwischenprodukt benötigt wird, dessen Oxidation ausreicht, um die Synthese von ATP voranzutreiben.

Abbildung 5. Hier ist ein Beispiel für eine Phosphorylierung auf Substratebene, die bei der Glykolyse auftritt. Es findet eine direkte Übertragung einer Phosphatgruppe von der Kohlenstoffverbindung auf ADP statt, um ATP zu bilden. Facciotti (eigene Arbeit)

Bei dieser Reaktion sind die Reaktanten eine phosphorylierte Kohlenstoffverbindung namens G3P (aus Schritt 6 der Glykolyse) und ein ADP-Molekül, und die Produkte sind 1,3-BPG und ATP. Die Übertragung des Phosphats von G3P auf ADP zur Bildung von ATP im aktiven Zentrum des Enzyms ist Phosphorylierung auf Substratebene. Dies geschieht zweimal bei der Glykolyse und einmal im TCA-Zyklus (für eine nachfolgende Ablesung).

Fermentation und Regeneration von NAD+

Abschnittszusammenfassung

In diesem Abschnitt wird der Fermentationsprozess beschrieben. Aufgrund der starken Betonung des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels in diesem Kurs konzentriert sich die Diskussion der Fermentation verständlicherweise auf die Fermentation von Pyruvat. Dennoch gelten einige der Kernprinzipien, die wir in diesem Abschnitt behandeln, ebenso gut für die Fermentation vieler anderer kleiner Moleküle.

Der Zweck der Fermentation

Die Oxidation einer Vielzahl kleiner organischer Verbindungen ist ein Prozess, der von vielen Organismen genutzt wird, um Energie für den Erhalt und das Wachstum der Zellen zu gewinnen. Die Oxidation von Glucose über Glykolyse ist ein solcher Weg. Mehrere Schlüsselschritte bei der Oxidation von Glucose zu Pyruvat beinhalten die Reduktion des Elektron/Energie-Shuttles NAD+ zu NADH. Am Ende von Abschnitt 5.3 wurden Sie gebeten herauszufinden, welche Optionen die Zelle vernünftigerweise haben könnte, um NADH zu NAD . zu reoxidieren+ um zu vermeiden, die verfügbaren Pools von NAD . zu verbrauchen+ und so zu vermeiden, die Glykolyse zu stoppen. Anders ausgedrückt können Zellen während der Glykolyse große Mengen an NADH erzeugen und ihre NAD .-Vorräte langsam erschöpfen+. Wenn die Glykolyse weitergehen soll, muss die Zelle einen Weg finden, NAD . zu regenerieren+, entweder durch Synthese oder durch irgendeine Form des Recyclings.

In Ermangelung eines anderen Prozesses – das heißt, wenn wir nur die Glykolyse betrachten – ist nicht sofort klar, was die Zelle tun könnte. Eine Möglichkeit besteht darin, die Elektronen, die einst von den Glucosederivaten abgestreift wurden, direkt wieder auf das nachgeschaltete Produkt Pyruvat oder eines seiner Derivate zu übertragen. Wir können den Vorgang verallgemeinern, indem wir ihn als die Rückkehr von Elektronen zu dem Molekül beschreiben, aus dem sie einmal entfernt wurden, normalerweise um Pools eines Oxidationsmittels wiederherzustellen. Dies ist, kurz gesagt, Fermentation. Wie wir in einem anderen Abschnitt besprechen werden, kann der Atmungsprozess auch die NAD .-Pools regenerieren+ von NADH. Zellen ohne Atmungsketten oder unter Bedingungen, bei denen die Verwendung der Atmungskette ungünstig ist, können die Fermentation als alternativen Mechanismus zur Gewinnung von Energie aus kleinen Molekülen wählen.

Ein Beispiel: Milchsäuregärung

Ein alltägliches Beispiel für eine Gärungsreaktion ist die Reduktion von Pyruvat zu Laktat durch die Milchsäuregärungsreaktion. Diese Reaktion sollte Ihnen bekannt sein: Sie tritt in unseren Muskeln auf, wenn wir uns während des Trainings anstrengen. Wenn wir uns anstrengen, benötigen unsere Muskeln große Mengen an ATP, um die Arbeit zu leisten, die wir von ihnen verlangen. Da das ATP verbraucht wird, können die Muskelzellen den Atembedarf nicht decken, O2 wird limitierend und NADH akkumuliert. Zellen müssen den Überschuss loswerden und NAD . regenerieren+, so dass Pyruvat als Elektronenakzeptor dient, Laktat erzeugt und NADH zu NAD . oxidiert+. Viele Bakterien nutzen diesen Weg, um NADH/NAD . zu vervollständigen+ Kreislauf. Sie kennen diesen Prozess vielleicht von Produkten wie Sauerkraut und Joghurt. Die chemische Reaktion der Milchsäuregärung ist die folgende:

Pyruvat + NADH ↔ Milchsäure + NAD+

Abbildung 1. Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat (eine leicht oxidierte Kohlenstoffverbindung) in Milchsäure umgewandelt. Dabei wird NADH zu NAD . oxidiert+. Facciotti (Originalwerk)

Energiegeschichte für die Vergärung von Pyruvat zu Laktat

Ein Beispiel (wenn auch etwas langatmig) Energiegeschichte für die Milchsäuregärung ist die folgende:

Die Reaktanten sind Pyruvat, NADH und ein Proton. Die Produkte sind Laktat und NAD+. Der Fermentationsprozess führt zur Reduktion von Pyruvat zu Milchsäure und zur Oxidation von NADH zu NAD+. Elektronen aus NADH und einem Proton werden verwendet, um Pyruvat zu Laktat zu reduzieren. Betrachten wir eine Tabelle mit Standardreduktionspotentialen, so sehen wir unter Standardbedingungen, dass ein Elektronentransfer von NADH auf Pyruvat zur Bildung von Lactat exergonisch und damit thermodynamisch spontan ist. Die Reduktions- und Oxidationsschritte der Reaktion sind gekoppelt und werden durch das Enzym Lactat-Dehydrogenase katalysiert.

Ein zweites Beispiel: Alkoholgärung

Ein weiteres bekanntes Fermentationsverfahren ist die Alkoholfermentation, bei der Ethanol, ein Alkohol, entsteht. Die Alkoholgärungsreaktion ist die folgende:

Figur 2. Die Ethanolfermentation ist ein zweistufiger Prozess. Pyruvat (Brenztraubensäure) wird zunächst in Kohlendioxid und Acetaldehyd umgewandelt. Der zweite Schritt wandelt Acetaldehyd in Ethanol um und oxidiert NADH zu NAD+. Facciotti (Originalwerk)

Bei der ersten Reaktion wird eine Carboxylgruppe aus Brenztraubensäure entfernt, wodurch Kohlendioxid als Gas freigesetzt wird (einige von Ihnen kennen dies vielleicht als Schlüsselkomponente verschiedener Getränke). Die zweite Reaktion entfernt Elektronen aus NADH und bildet NAD+ und Herstellung von Ethanol (eine andere bekannte Verbindung – normalerweise im selben Getränk) aus dem Acetaldehyd, das die Elektronen aufnimmt.

Diskussionsvorschlag

Schreiben Sie eine komplette Energiegeschichte für die Alkoholgärung.Schlagen Sie mögliche Vorteile dieser Art der Fermentation für den einzelligen Hefeorganismus vor.

Fermentationswege sind zahlreich

Während die oben beschriebenen Wege der Milchsäuregärung und der Alkoholgärung Beispiele sind, gibt es noch viele weitere Reaktionen (zu zahlreich, um sie durchzugehen), die die Natur entwickelt hat, um NADH/NAD . zu vervollständigen+ Kreislauf. Es ist wichtig, dass Sie die allgemeinen Konzepte hinter diesen Reaktionen verstehen. Im Allgemeinen versuchen Zellen, ein Gleichgewicht oder ein konstantes Verhältnis zwischen NADH und NAD . aufrechtzuerhalten+; Wenn dieses Verhältnis unausgeglichen wird, kompensiert die Zelle, indem sie andere Reaktionen moduliert, um dies zu kompensieren. Die einzige Voraussetzung für eine Fermentationsreaktion ist, dass sie eine kleine organische Verbindung als Elektronenakzeptor für NADH verwendet und NAD . regeneriert+. Andere bekannte Gärungsreaktionen sind die Ethanolgärung (wie bei Bier und Brot), die Propionsäuregärung (sie macht die Löcher in Schweizer Käse) und die malolaktische Gärung (sie verleiht Chardonnay seinen milderen Geschmack – je mehr Umwandlung von Malat in Laktat, die weicher der Wein). In Abbildung 3 sehen Sie eine Vielzahl von Fermentationsreaktionen, die verschiedene Bakterien verwenden, um NADH zu NAD . zu reoxidieren+. Alle diese Reaktionen beginnen mit Pyruvat oder einem Derivat des Pyruvatstoffwechsels, wie Oxalacetat oder Formiat. Pyruvat wird durch Oxidation von Zuckern (Glukose oder Ribose) oder anderen kleinen, reduzierten organischen Molekülen hergestellt. Es ist auch zu beachten, dass neben Pyruvat und seinen Derivaten auch andere Verbindungen als Gärsubstrate verwendet werden können. Dazu gehören die Methanfermentation, die Sulfidfermentation oder die Fermentation stickstoffhaltiger Verbindungen wie Aminosäuren. Es wird nicht erwartet, dass Sie sich alle diese Pfade merken. Es wird jedoch erwartet, dass Sie einen Weg erkennen, der Elektronen zu Produkten der Verbindungen zurückführt, die ursprünglich oxidiert wurden, um das NAD . zu recyceln+/NADH-Pool und diesen Prozess der Fermentation zuzuordnen.

Figur 3. Diese Abbildung zeigt verschiedene Fermentationswege unter Verwendung von Pyruvat als Ausgangssubstrat. In der Abbildung wird Pyruvat über verschiedene und manchmal mehrstufige (gestrichelte Pfeile stellen mögliche mehrstufige Prozesse darstellen) Reaktionen zu einer Vielzahl von Produkten reduziert. Auf alle Details wurde bewusst verzichtet. Der entscheidende Punkt ist zu erkennen, dass Fermentation ein weit gefasster Begriff ist, der nicht nur mit der Umwandlung von Pyruvat in Milchsäure oder Ethanol verbunden ist. Facciotti (Originalwerk)

Ein Hinweis zum Zusammenhang zwischen Phosphorylierung auf Substratebene und Fermentation

Die Fermentation erfolgt in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2). Es ist ein anaerober Prozess. Beachten Sie, dass es kein O . gibt2 in einer der oben gezeigten Fermentationsreaktionen. Viele dieser Reaktionen sind ziemlich alt und gelten als einige der ersten energieerzeugenden Stoffwechselreaktionen, die sich entwickelt haben. Dies ist sinnvoll, wenn wir Folgendes berücksichtigen:

  1. Die frühe Atmosphäre war stark reduziert, mit wenig molekularem Sauerstoff, der leicht verfügbar war.
  2. Kleine, stark reduzierte organische Moleküle waren relativ verfügbar und entstanden aus einer Vielzahl chemischer Reaktionen.
  3. Diese Arten von Reaktionen, Signalwegen und Enzymen finden sich in vielen verschiedenen Arten von Organismen, einschließlich Bakterien, Archaeen und Eukaryoten, was darauf hindeutet, dass es sich um sehr alte Reaktionen handelt.
  4. Der Prozess entwickelte sich lange bevor O2 in der Umgebung gefunden wurde.
  5. Die Substrate, stark reduzierte, kleine organische Moleküle wie Glucose, waren leicht verfügbar.
  6. Die Endprodukte vieler Fermentationsreaktionen sind kleine organische Säuren, die durch die Oxidation des Ausgangssubstrats entstehen.
  7. Der Prozess ist an Phosphorylierungsreaktionen auf Substratebene gekoppelt. Das heißt, kleine, reduzierte organische Moleküle werden oxidiert und ATP wird zuerst durch eine Redoxreaktion gefolgt von der Phosphorylierung auf Substratebene erzeugt.
  8. Dies legt nahe, dass Phosphorylierungs- und Fermentationsreaktionen auf Substratebene koevolutioniert waren.

Diskussionsvorschlag

Wenn die Hypothese zutrifft, dass Phosphorylierungs- und Fermentationsreaktionen auf Substratebene gleichzeitig entstanden und die ersten Formen des Energiestoffwechsels waren, die Zellen zur Bildung von ATP nutzten, was wären dann die Folgen solcher Reaktionen im Laufe der Zeit? Was wäre, wenn dies die einzigen Formen des Energiestoffwechsels wären, die über Hunderttausende von Jahren verfügbar waren? Was wäre, wenn Zellen in einer kleinen, geschlossenen Umgebung isoliert würden? Was wäre, wenn die kleinen, reduzierten Substrate in dieser Zeit nicht mit dem gleichen Verbrauch produziert würden?

Folgen der Gärung

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Fermentation der primäre Modus zur Gewinnung von Energie aus kleinen Molekülen ist. Wenn Populationen gedeihen, reproduzieren und verbrauchen sie die Fülle an kleinen, reduzierten organischen Molekülen in der Umwelt und produzieren Säuren. Eine Folge ist die Versauerung (Abnahme des pH-Werts) der Umgebung, einschließlich der inneren zellulären Umgebung. Dies ist nicht so gut, da pH-Änderungen einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktion und Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Biomolekülen haben können. Daher mussten Mechanismen entwickelt werden, die die verschiedenen Säuren entfernen können. Glücklicherweise können in einer Umgebung, die reich an reduzierten Verbindungen ist, Phosphorylierung und Fermentation auf Substratebene große Mengen an ATP produzieren.

Es wird vermutet, dass dieses Szenario der Beginn der Entwicklung des F . war0F1-ATPase, eine molekulare Maschine, die ATP hydrolysiert und Protonen durch die Membran transloziert (wir werden dies im nächsten Abschnitt noch einmal sehen). Mit dem F0F1-ATPase, das durch Fermentation produzierte ATP, könnte es der Zelle nun ermöglichen, die pH-Homöostase aufrechtzuerhalten, indem die freie Energie der Hydrolyse von ATP an den Transport von Protonen aus der Zelle gekoppelt wird. Der Nachteil ist, dass Zellen jetzt all diese Protonen in die Umgebung pumpen, die nun zu säuern beginnt.

Diskussionsvorschlag

Wenn die Hypothese richtig ist, dass die F0F1-ATPase koevolvierte auch mit Phosphorylierungs- und Fermentationsreaktionen auf Substratebene, was würde dann mit der Zeit mit der Umwelt passieren? Während anfänglich kleine, reduzierte organische Verbindungen reichlich vorhanden gewesen sein mögen, würden die reduzierten Verbindungen, wenn die Fermentation irgendwann "aufstieg", dann ausgehen und ATP könnte dann ebenfalls knapp werden. Das ist ein Problem. Definieren Sie die Probleme, mit denen die Zelle in dieser hypothetischen Umgebung konfrontiert ist, unter Berücksichtigung der Rubrik der Design-Herausforderungen. Was sind andere potenzielle Mechanismen oder Wege, die die Natur das Problem(e) überwinden könnte?


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PROFESSOR: Bitte beruhigen Sie sich und schauen Sie sich diese Frage an. Okay, nehmen wir uns 10 Sekunden. Ich denke, dass es ein einfacher mathematischer Fehler ist, der mindestens zwischen eins und zwei liegt. Der Trick hier ist also, dass Sie den p h und den p k a kennen und das Verhältnis ermitteln möchten, damit Sie subtrahieren und das Protokoll erstellen können. Vielleicht haben wir diese Frage später oder etwas Ähnliches und können es noch einmal versuchen.

Also werden wir heute wieder über Puffer sprechen.

Ich habe einfach das Bedürfnis, mir einen Moment Zeit zu nehmen und über die historischen Ereignisse der letzten 24 Stunden nachzudenken und darüber zu sprechen, wie sich das auf die Chemie auswirken wird. Einige von Ihnen haben vielleicht zum ersten Mal abgestimmt. Einige von Ihnen haben vielleicht zum ersten Mal an einer Kampagne mitgearbeitet. Einige von Ihnen waren vielleicht zum ersten Mal sehr aktiv in einer Kampagne, entweder für Obama oder McCain, an der Sie beteiligt waren. Und ich wollte diese Wahl nur ein wenig in die historische Perspektive einordnen, wenn es darum geht, Student oder Student zu sein und an einer politischen Kampagne zu arbeiten oder Teil einer politischen Bewegung zu sein.

Mein Vater war also als politischer Studentenaktivist sehr aktiv. Aber der Unterschied zwischen einigen von Ihnen und meinem Vater war, dass er in den 1930er Jahren in Hitlerdeutschland politischer Aktivist an der Universität Hamberg in Deutschland war. Er war also der Anführer der linken Studentenorganisation. Das war damals lebensgefährlich, diese Rolle zu übernehmen.

Es wurde also etwas heißer und die Gestapo besprach einige der Aktivitäten mit den linken Studentenführern an Hochschulen in Deutschland. Und einige von ihnen wussten nach den Diskussionen nicht, wohin sie gingen, sie schienen zu verschwinden. Nun machte sich mein Vater große Sorgen und beschloss, eine Weile still zu bleiben, und dachte, ich mache ein Semester an einer anderen Universität. Und er sagte seinen Eltern, wenn die Gestapo ihn suchen würde, sollten sie ihm ein Telegramm mit der Aufschrift "Deine Tante Millie ist krank" schicken. Da er keine Tante Milly hatte, wusste er, dass das bedeuten würde, jetzt auszusteigen.

Also ging er an eine andere Universität und machte dort ein Semester, und jemand, den er kannte, sagte ihm, dass man sich wirklich verstecken müsse. Aber er traute dieser Person nicht wirklich, also packten wir eine Tasche mit ein paar Klamotten und ein paar Toilettenartikeln, aber er ging nicht wirklich. Am nächsten Tag kam er dann nach Hause und unter seiner Tür lag ein Telegramm. Sie können also erraten, was das Telegramm sagte. Er schnappte sich die bereits gepackte Tasche und ging die Treppe hinunter.

Die Gestapo kam die Treppe herauf. Mein Vater hieß Heinz Leopold Lushinski und die Gestapo sagte zu ihm: „Kennen Sie Herrn Lushinski? und er ging 30 Jahre nicht zurück nach Deutschland. Also kam er als politischer Flüchtling in die Vereinigten Staaten und wurde Staatsbürger. Er hat bei jeder Wahl, bei jeder Möglichkeit gewählt, er war sehr, sehr aktiv. Meine Familie war sehr, sehr aktiv in der Politik Er gab jedes Jahr Geld an die American Civil Liberties Union zum Schutz der bürgerlichen Freiheiten, und er gab auch Geld an die American Rifle Association.Er hatte immer gerne einen Plan b.

Daher war es manchmal ein wenig demütigend, das einzige Kind dieses Mannes zu sein. Er war Mitte 50, als ich geboren wurde, und ich dachte, wie kann ich so etwas aushalten? Werde ich jemals mein Leben für das riskieren, woran ich glaube. Wenn ich diese Wahl hätte, würde ich das Richtige tun? Und ich weiß nicht, ob ich jemals eine Antwort auf diese Frage bekommen werde, aber ich habe mit meinem Vater darüber gesprochen und er sagte, alles was ich tun muss, ist hart zu arbeiten, etwas zu finden, das ich gerne tue, irgendwie kann ich es tun beitragen, und das ist wirklich wichtig – beitragen ist wirklich wichtig.

Daher hat es mich zum Unterrichten hingezogen, und ich liebe es, hier am MIT zu unterrichten, weil Sie alle so talentiert und schlau sind und es wirklich eine Ehre und ein Privileg ist, an Ihrer Ausbildung beteiligt zu sein. Aber ich habe das Gefühl, dass wir in den letzten 24 Stunden alle einen zusätzlichen Anruf beim Service erhalten haben. Der gewählte Präsident Obama sagte in der Kampagne, dass seine oberste Priorität die wissenschaftliche Forschung, die Entwicklung sauberer Energietechnologien und die Verbesserung der Gesundheitsversorgung sein werde. Er rief Wissenschaftler und Ingenieure an. Und letzte Nacht sagte das amerikanische Volk ja, wir mögen diese Vision, und sie wählten ihn zum Präsidenten. Also wurden wir gerufen, Sie wurden gerufen, er hat sich an Studenten gewandt und gesagt, Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften, Sie müssen einen Beitrag leisten. Und es ist schon eine Weile her, dass ein Präsident wirklich zum Handeln aufgerufen hat, Wissenschaftler und Ingenieure. Und das letzte Mal, als das passierte, ging ein Mann auf den Mond. Mal sehen, was wir diesmal tun können.

Die nächste Herausforderung ist saubere Energie, das Gesundheitswesen. Es wird wirklich wichtig sein, dass sich Naturwissenschaften und Ingenieure einbringen, und im Kern Energietechnologien und im Zentrum der Medizin die Chemie. Sie sind also jetzt an der richtigen Stelle. Sie werden die Generation sein, die diese Probleme lösen muss, denn wenn Sie das Energieproblem nicht lösen und keine sauberen Alternativen finden, wird nicht viel von einem Planeten für eine andere Generation übrig bleiben versuchen, diese Probleme zu lösen. Es wird also Ihr Job sein und Ihr Job beginnt jetzt mit der Ausbildung, die Sie am MIT erhalten können.

Es ist also eigentlich etwas interessant, dass wir heute, am Tag nach dieser Wahl, über eine der Einheiten sprechen werden, mit denen die Schüler in dieser Klasse im Laufe der Jahre am meisten Schwierigkeiten hatten, säurebasierte Titrationen. Dies war das Verderben einiger Chemie-Individuen. Es hat einige Grade von A zunichte gemacht. Es hat vielleicht einiges Interesse an der Chemie zunichte gemacht. Aber ich möchte heute sagen, in diesem Moment wird es nicht Ihr Untergang sein, es wird Ihr Triumph sein.

Jedes Jahr fordere ich die Studenten heraus, die beste Arbeit bei der säurebasierten Titration aller Zeiten zu leisten, und die Leute haben gut abgeschnitten. Dies könnte das letzte Mal sein, dass ich im Herbst unterrichte. Sie haben in dieser Klasse, in der Geschichte der Klasse, die ich kenne, bisher die besten Noten, und das ist die Herausforderung. Direkt nach dieser Wahl besteht Ihre Herausforderung darin, die Chemie zu erobern, indem Sie jeweils eine Säure und eine Base beginnen.

Bereit für einige säurebasierte Titrationen? Wer sind die Neinsager in dieser Menge? Nur ein paar Leute da oben. Gut. Ich muss Ihnen sagen, dass das, was ich Ihnen über säurebasierte Titrationen erzählen werde, ziemlich sinnvoll erscheinen wird, wie ich es sage. Aber oft sagen mir Leute, dass, wenn sie die Aufgaben des Tests tatsächlich bearbeiten, es etwas weniger klar ist, was sie tun sollen. Der Schlüssel zu säurebasierten Titrationen besteht also darin, Probleme zu lösen. Und so haben wir zu Ihrem Vorteil dem Problem-Set bis Freitag Probleme zugewiesen. Nach dem heutigen Tag sollten Sie also bereit sein, alle Probleme des Problemsatzes zu lösen. Und was die säurebasierte Titration angeht, wirst du wieder viel von diesem Wissen brauchen in der organischen Chemie, in der Biochemie, wenn du ein Medizinstudium besuchst – ich war früher TA-Medizinstudenten, die wussten nicht, wie das geht. Und ich sagte: "Wer hat dir Erstsemester Chemie beigebracht?" Es tut also gut, das heute hier zu lernen, Probleme zu lösen, den nächsten Test zu machen und garantiert wieder im Finale zu stehen. So lernst du es jetzt, du bekommst jede Menge Punkte, sowohl bei der Abschluss- als auch bei der dritten Prüfung. In Ordnung, säurebasierte Titrationen sind nicht so schwer, aber es gibt nicht viele Gleichungen, und ich denke, die Leute in der Chemie sind daran gewöhnt, welche Gleichung ich verwende. Nein, es geht wirklich darum, darüber nachzudenken, was in dem Problem vor sich geht, und wenn das Problem fortschreitet, wenn mehr, sagen wir, eine starke Basis hinzugefügt wird, ändert sich das Problem. Es geht also darum, herauszufinden, wo Sie sich in der Titration befinden und welche Schritte anzuwenden sind.

Hier sind also einige Titrationskurven, und Sie werden möglicherweise aufgefordert, eine Titrationskurve zu zeichnen, damit Sie mit ihrem Aussehen vertraut sein sollten. Also haben wir letztes Mal über starke Säuren und starke Basen gesprochen. Wenn Sie also eine starke Base haben, haben Sie einen basischen pH-Wert, und wenn Sie die starke Säure hinzufügen, gelangen Sie zum Äquivalenzpunkt, Äquivalenzpunkt, wenn Sie die gleiche Menge an Säuren hinzugefügt haben wie es gibt Base oder Base wie es Säure gibt, gleiche Anzahl von Molen. Und wenn Sie eine starke Säure in eine starke Base mischen, bilden Sie ein Salz, und das Salz ist im pH-Wert neutral, weil das Konjugat einer starken Säure oder einer starken Base wirkungslos ist, es beeinflusst den pH-Wert nicht, es ist neutral . Wir haben also pH 7 und dann fügen Sie in diesem Fall eine stärkere Säure hinzu, und der pH-Wert sinkt. Für die andere Titration ist es also ziemlich gleich, außer dass Sie bei sauren pH-Werten beginnen, auf neutrale pH-Werte steigen und dann basisch werden.

Also haben wir letztes Mal darüber gesprochen und wir haben ein paar Probleme gelöst, aber jetzt kommen wir zu der etwas schwierigeren Art von Problemen, die damit zu tun haben, dass eine schwache Säure oder eine schwache Base titriert wird. Schauen wir uns also zunächst den Unterschied der Kurve an. Hier haben wir also die starke Säure und die starke Base, und hier haben wir eine schwache Säure und eine starke Base. Eine Sache, die Sie sofort bemerken werden, ist, dass der Äquivalenzpunkt einen anderen pH-Wert hat. Mischen Sie also wieder eine starke Säure und eine starke Base, und Sie bilden ein neutrales Salz, pH 7. Wenn Sie jedoch eine schwache Säure in einer starken Base titrieren, ist das Konjugat der starken Base wirkungslos, aber das Konjugat von die schwache Säure fungiert als Base. Wenn Sie also am Äquivalenzpunkt die gleiche Anzahl von Molen Ihrer starken Base hinzugefügt haben, wie Sie eine schwache Säure hatten, haben Sie die konjugierte Base herum und der pH-Wert ist größer als 7.

Wenn Sie also bei der Bearbeitung der Probleme eine Antwort mit dieser Art von Titrationsproblem erhalten, die sich von der für ph am Äquivalenzpunkt unterscheidet, werden Sie wissen, dass Sie etwas falsch gemacht haben, Sie müssen zurückgehen und Ihre Mathematik überprüfen.

Ein weiterer großer Unterschied hat mit der Kurvenform hier unten zu tun, und so merkt man hier einen Unterschied als dort. Und bei einer Titration mit einer schwachen Säure in einer starken Base haben Sie einen Teil der Kurve, der als Pufferbereich bekannt ist, und der pH-Wert ist in diesem Pufferbereich ziemlich flach, wie hier unten gezeigt. Im Gegensatz dazu gibt es auf dieser Seite keinen solchen Pufferbereich. Hier wird also der pH-Wert ansteigen, sich einpendeln und dann wieder ansteigen. Und das ist für einige von Ihnen wahrscheinlich die Frustration bei der Durchführung von säurebasierten Titrationen im Labor, weil Sie hinzufügen und nichts passiert und nichts passiert und nichts passiert und Sie in dieser Region sind, dann fügen Sie plötzlich hinzu nur noch ein bisschen und du bist hier oben.

Beachten Sie also, wie steil das hier ist. Wenn Sie sich also im Pufferbereich befinden, scheint es manchmal, als würden Sie das Ende der Titration nie erreichen und dann geht es viel zu schnell. Pufferregion, denken Sie daran, dass ein Puffer etwas ist, das ein konjugiertes, schwaches Säure- und Basenpaar hat, und dann in einer Pufferregion bleibt der pH-Wert in dieser Region ziemlich konstant. Es wirkt als Puffer, neutralisiert den pH-Wert, hält den pH-Wert aufrecht, indem er eine Protonenquelle oder -senke ist, und so bleibt der pH-Wert hier in diesem Pufferbereich konstant. Das sind also einige der Unterschiede zwischen den Kurventypen.

Ein weiterer Punkt, den ich erwähnen oder erwähnen werde, der mit schwacher Säure in starker Base oder einer schwachen Base in starker Säure zu tun hat, ist dieses 1/2-Äquivalenzpunkt-Konzept. Also 1/2 Äquivalenzpunkt Sie haben 1/2 der Menge an starker Base hinzugefügt, die Sie benötigen, um zum Äquivalenzpunkt zu gelangen, und das liegt genau in der Mitte dieser Pufferregion. Dies ist ein weiterer Punkt, an dem Sie aufgefordert werden, den pH-Wert zu berechnen.

Schauen wir uns nun verschiedene Punkte einer Titration an. Also, lassen Sie uns zuerst durchgehen und nur darüber nachdenken, was passiert. Wenn wir also mit dieser Titration einer schwachen Säure in einer starken Base beginnen, bevor wir eine der starken Basen hinzugefügt haben, haben wir nur eine schwache Säure. Es handelt sich also um ein Problem vom Typ schwache Säure in Wasser. Also habe ich hier unsere Säure gezeichnet, und die Säure hat ihr Proton, das aufgeben wird, wenn Sie mit der Titration beginnen.Das ist es, was wir bei Null-Lautstärke haben.

Dann fangen wir an, unsere starke Base hinzuzufügen, und die starke Base wird mit der Säure reagieren, eins-zu-eins-Stöchiometrie, es ist eine starke Base. Es zieht Protonen aus der gleichen Anzahl von Molen der starken Säure ab, wie die Anzahl der Mole der starken Base, die hinzugefügt wurden. Und so erhalten Sie eine Mischung aus Ihren Konjugaten, Ihrer schwachen Säure und Ihrer konjugierten Base. Die Basis ist hier also ein Minus. Wenn Sie also eine Mischung einer schwachen Säure in ihrer konjugierten Base haben, ist dies ein Puffer, und Sie werden hier in den Pufferbereich wechseln. Das ist bei jedem Volumen, das größer als Null und kleiner als der Äquivalenzpunkt ist, in dieser Region vorhanden.

Dann haben wir eine spezielle Kategorie der Pufferregion, wenn Sie das Volumen hinzugefügt haben, um den Äquivalenzpunkt 1/2 zu erreichen. Und wenn Sie das getan haben, haben Sie die Hälfte der schwachen Säure in ihre konjugierte Base umgewandelt, Sie haben also die gleiche Anzahl von Molen Ihrer schwachen Säure wie die Mole der konjugierten Base - 1/2 wurde umgewandelt. Das ist also eine besondere Kategorie.

Dann kommst du zum Äquivalenzpunkt. Am Äquivalenzpunkt haben Sie die gleiche Anzahl an Molen starker Base wie die Anzahl an Mol an schwacher Säure hinzugefügt, sodass Sie Ihre gesamte schwache Säure in ihre konjugierte Base umgewandelt haben. Alles, was Sie jetzt haben, ist die konjugierte Base, und das kontrolliert den pH-Wert, also sollte der pH-Wert größer als 7 sein. Das ist also ein Problem mit einer schwachen Base in Wasser.

Und wenn Sie weitermachen, werden Sie am Ende ein starkes Wasserproblem haben. Die schwache Base wird immer noch vorhanden sein, aber sie wird den pH-Wert vernachlässigbar beeinflussen, verglichen mit der Tatsache, dass Sie starke Säure in Ihre Titration gießen. Und das ist dieser Teil der Kurve.

Sie sehen also, dass Sie bei einem Problemtyp, einem Titrationsproblem, tatsächlich viele Unterprobleme oder Untertypen von Problemen haben, einen schwachen Säurepuffer, eine spezielle Pufferkategorie, eine konjugierte Base oder ein Salzproblem haben. und dann eine starke Basis. Und dies ist eines der Dinge, mit denen die Leute bei den Titrationen Schwierigkeiten haben, weil wir Sie möglicherweise nicht bitten, alle Punkte zu machen, wir können einfach irgendwo einspringen und sagen, okay, was ist der pH-Wert am Äquivalenzpunkt, und Sie müssen darüber nachdenken, was passiert ist, um zum Äquivalenzpunkt zu gelangen. Oder wir springen ein und fragen Sie nach einer Region, die sich in der Pufferregion befinden würde, und Sie müssen sich daran erinnern, dass an diesem Punkt einige der schwachen Säuren und auch einige der konjugierten Basen gebildet werden sollten.

Es scheint also viele verschiedene Dinge zu geben, aber es gibt nur fünf Arten von Problemen. Aber in einer Titrationskurve stößt man an verschiedenen Stellen des Problems auf viele dieser verschiedenen Typen.

Gehen wir nun also in die andere Richtung und betrachten die Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure. So würde diese Kurve aussehen. Sie werden natürlich basisch beginnen, da Sie mit einer schwachen Base beginnen, Sie haben noch keine starke Säure hinzugefügt. Wenn Sie starke Säure hinzufügen, sinkt der pH-Wert. Da es sich um eine schwache Base handelt, bilden Sie einen Teil ihres Konjugats, wenn Sie die starke Säure hinzufügen, und durchlaufen daher erneut einen Pufferbereich, in dem die Kurve flach wäre, wo der pH-Wert ziemlich gleich ist für Bereich der Zeit. Dann fällt die Kurve wieder ab und Sie gelangen zum Äquivalenzpunkt. Am Äquivalenzpunkt haben Sie die gleiche Molmenge an starker Säure hinzugefügt, wie Sie eine schwache Base hatten, sodass Ihre gesamte schwache Base in ihre konjugierte Säure umgewandelt wird und Sie am Äquivalenzpunkt sauer sein sollten, und dann die Kurve geht nach unten.

Wir können also wieder darüber nachdenken, was passiert. Am Anfang ist es nur ein schwaches Basen-in-Wasser-Problem, aber wenn Sie starke Säure hinzufügen, haben Sie einen Teil Ihrer Base proniert und hier ihre konjugierte Säure gebildet, und Sie befinden sich in der Pufferregion. Dann haben Sie am 1/2-Äquivalenzpunkt genug Mole starke Säure hinzugefügt, um 1/2 der schwachen Base in ihr Konjugat umzuwandeln, also werden diese gleich sein – die Anzahl der Mole der schwachen Base und die Molzahl ihrer konjugierten Säure. Am Äquivalenzpunkt haben Sie die gesamte schwache Base, mit der Sie begonnen haben, in ihre konjugierte Säure umgewandelt, sodass es ein Problem mit schwacher Säure in Wasser ist, und am Ende ist es eine starke Säure.

Der Trick besteht also darin, zu erkennen, um welche Art von Problem Sie gebeten werden, und oft, wenn die Leute eine Frage bekommen und sie einfach aufschreiben, OK, an diesem Punkt in der Titrationskurve wird es eine schwache Basis sein bei Wasserproblemen. Und wenn Sie das nur aufschreiben, machen Sie den Rest des Problems meistens richtig, wenn Sie so weit kommen. Wenn Sie also nur den Typ identifizieren, gibt es nur 5 von Problemen, um die richtige Antwort zu erhalten.

Machen wir also ein Beispiel. Wir werden eine schwache Säure mit einer starken Base titrieren. Wir haben 25 mil 0,1 molare Säure mit 0,15 Mol einer starken Base, n a o h, wir bekommen das Ka für die Säure. Zuerst beginnen wir mit 0 mil der starken Base. Was ist das denn für ein Problem? Es ist ein schwaches Säureproblem.

Wir wissen also, wie man die Gleichung für eine schwache Säure oder für eine Säure in Wasser schreibt. Wir haben die Säure in Wasser zu Hydroniumionen und einer konjugierten Base. Also schwache Säure. Für schwache Säure verwenden wir unser k a und stellen unseren Gleichgewichtsausdruck auf. Hier haben wir also 0,1 molar unserer Säure. Einiges davon verschwindet im Gleichgewicht und bildet ein Hydroniumion und eine konjugierte Base, und wir wissen also, dass wir Ausdrücke für die Konzentrationen im Gleichgewicht haben. Und wir können unser k a, k a für Säure verwenden, es ist ein schwaches Säureproblem, und wir können Produkte über Reaktanten betrachten.

Sehen Sie, jetzt machen wir ein Titrationsproblem, aber Sie wissen bereits, wie man dieses Problem löst, weil wir schon früher ein Problem mit einer schwachen Säure in Wasser gesehen haben. Wir haben hier also x über 0,10 minus x quadriert. Wir können annehmen, dass x klein ist, und dieses minus x loswerden und dann später zurückgehen und es überprüfen, so dass die Mathematik ein wenig einfacher wird. Und wir können nach x auflösen und dann können wir überprüfen -- wir können diesen Wert, 0,00421 über 0,1, nehmen und sehen, ob das weniger als 5% ist, es ist nahe, aber es ist. Diese Annahme ist also in Ordnung. Wenn nicht, was müssten wir tun? Quadratische Gleichung.

In Ordnung, also jetzt, hier ist eine Sig-Feigen-Frage. Sagen Sie mir, wie viele Sig-Feigen dieser Ph tatsächlich hat. Okay, 10 Sekunden.

Im ersten Teil des Problems hatten wir also eine Konzentration mit 2 signifikanten Zahlen, dem 0,10 molaren. Manchmal haben die Leute später besonders signifikante Zahlen, die sie mit sich führen, aber wir hatten diese 2, und so werden wir dann 2 nach dem Komma in der Antwort von ph haben. Auch hier wird die Anzahl der signifikanten Ziffern, die begrenzen, die Zahl nach dem Komma sein.

In Ordnung, wir haben also einen pH-Wert und jetzt machen wir weiter. Lassen Sie mich einfach unseren Ein-PH-Wert ablegen. Wir haben hier ein Volumen von starker Base und ph, und wir beginnen hier mit null hinzugefügten Molen. Wir haben einen pH-Wert von 2. 38. Es ist eine schwache Säure, also sollte es ein saurer pH-Wert sein, was es ist.

Also gut, kommen wir nun zum Titrationsproblem und jetzt 5 . 0 mil der starken Base wurden hinzugefügt, und wir müssen jetzt herausfinden, was der pH-Wert ist. Es ist also eine starke Basis, also wird es fast vollständig reagieren, das ist unsere Annahme. Wenn es stark ist, geht es vollständig. Und so wird die Anzahl der Mole der starken Base, die wir hinzufügen, die gleiche Anzahl von Molen unserer Säure in ihr Konjugat umwandeln. Also können wir dann einfach eine Subtraktion machen.

Zuerst müssen wir also die Anfangsmole der Säure kennen, die wir hatten. Wir hatten 25 mil, 0,10 molar. Wir berechnen die Molzahl für das hinzugefügte Hydroxid, wir fügten 5 mil hinzu, es war 0,15 molar, und so können wir die Molzahl der zugesetzten starken Base berechnen. Die starke Base reagiert also vollständig mit der gleichen Molzahl der schwachen Säure. Und dann machen wir das – wir haben hier die Mole der schwachen Säure abzüglich der Anzahl der Mole der starken Base, die wir hinzugefügt haben, und so haben wir 1 . 75 mal 10 zu minus 3 Mol der verbleibenden schwachen Säure. Wie viele Mol der konjugierten Base werden dann durch diese Reaktion gebildet? Was denken Sie?

Selbe Nummer. Also 0,75 mal 10 hoch minus 3. Denken Sie also immer daran, dass bei diesen Titrationsproblemen noch nichts hinzugefügt wurde, Sie sind bei null mils addiert. Es müssen einige Subtraktionen erfolgen, weil etwas passiert ist. Sie haben etwas umgesetzt, die Dinge sind anders als zu Beginn.

In Ordnung, jetzt haben wir also eine schwache Säure und wir haben Mole ihres Konjugats, was ist das für ein Problem? Wenn Sie eine schwache Säure und ihre konjugierte Base haben - Puffer, richtig. Wir machen also ein Pufferproblem und müssen zuerst die Molarität kennen. Wir haben also Mole über dem Volumen - wieder das Volumen, Sie hatten zu Beginn 25 Mil, Sie fügten 5 weitere hinzu. Sie müssen also das Gesamtvolumen von 30 mil haben, und wir können dann die Konzentrationen von beiden berechnen.

Jetzt können wir unsere Gleichgewichtstabelle aufstellen, und das sieht aus wie ein Pufferproblem, weil es so aussieht, und wenn Sie wie ein Pufferproblem aussehen, haben Sie hier etwas, Ihre schwache Säure hier, aber Sie haben jetzt etwas hier, das ist es nicht Null jetzt beginnen wir mit einer konjugierten Base. Wir haben also 0,0583 minus x auf der einen Seite und 0,025 molar plus x auf der anderen Seite.

Wir können wieder k a verwenden. Dies ist als Säure in Wasser aufgebaut, die zu Hydroniumionen und konjugierter Base führt, also können wir unser k a verwenden, die Dinge einrichten und wir können immer sagen, mal sehen, ob x klein ist, eine Annahme machen, es später überprüfen. Das vereinfacht die Mathematik. Also entfernen wir das Plus x und das Minus x. Auch hier sagen wir, dass, wenn x klein ist, die Anfangskonzentrationen mehr oder weniger gleich den Konzentrationen nach der Äquilibrierung sein werden. Und wir können 4 berechnen. 13 mal 10 hoch minus 4, als x, das ist eine ziemlich kleine Zahl. Und wir müssen es überprüfen, und ja, es ist klein genug, es ist unter 5%, also ist das in Ordnung.

Jetzt können wir dies einstecken. X ist unsere Hydroniumionenkonzentration minus log der Hydroniumionenkonzentration ist ph, und wir können ph zu 3 berechnen. 38 -- Auch hier sind wir durch zwei signifikante Zahlen in der Konzentration eingeschränkt. Jetzt haben wir hier unten 5 mil hinzugefügt, und unser pH-Wert ist ein wenig gestiegen, er ist jetzt bei 3 . 38 hier.

Es gibt eine andere Option für ein Pufferproblem. Wie lautet die eine Gleichung in dieser Einheit? Unser Freund Henderson Hasselbalch. Und ja, das können Sie auch hier verwenden, vorausgesetzt, Sie überprüfen die Annahme und es ist in Ordnung. Die meisten Leute werden es vorziehen, dies zu tun, weil es ein bisschen einfacher ist. In diesem Problem wurde Ihnen also nicht das p k a gegeben, sondern das k a, also ziemlich einfach zu berechnen -- minus log von k a ist das p k a. Also kannst du das berechnen, füge das ein. Du hast deine Konzentrationen und es sollten Konzentrationen sein, aber du wirst vielleicht feststellen, dass sich das Volumen hier aufheben würde, wenn du tatsächlich Muttermale hättest. Hier sind also die Konzentrationen, aber bei gleichem Volumen hebt sich der Volumenterm auf. Es macht dies etwas schneller und gibt die gleiche Antwort, was großartig ist. Um Henderson Hasselbalch zu verwenden, muss auch die 5%-Regel wahr sein, da Henderson Hasselbalch davon ausgeht, dass x klein ist. Es wird davon ausgegangen, dass die Anfangskonzentrationen und die Konzentrationen nach dem Gleichgewicht ungefähr gleich sind.

Damit können wir die Annahme überprüfen. Wir können die Hydroniumionenkonzentration zurückrechnen, die x wäre, und sehen, ob sie klein ist, wir wissen es bereits, also ist es in Ordnung. Es gibt also 2 Optionen für Pufferprobleme, aber verwenden Sie die Henderson Hasselbalch-Gleichung nicht, wenn sie nicht im Pufferbereich liegt, sie gilt dann nicht.

Überprüfen Sie also erneut die Annahme, und wenn sie in Ordnung ist, ist sie in Ordnung. Wenn nicht, müssen Sie Option 1 verwenden und die quadratische Gleichung verwenden.

In Ordnung, also Pufferregion. Jetzt sind wir bei der besonderen Art von Problem im Pufferbereich, dem 1/2-Äquivalenzpunkt. Hier haben Sie also 1/2 der Molzahl der starken Base hinzugefügt, um 1/2 der Mole der schwachen Säure in ihr Konjugat umzuwandeln. An diesem Punkt ist die Konzentration von h a gleich der Konzentration von a minus – gleiche Anzahl von Molen im gleichen Volumen, diese sind gleich. Sie können hier Henderson Hasselbalch verwenden und feststellen, dass, wenn sie gleich sind, Sie von minus log 1 sprechen, also wird p h gleich p k a sein. Und Sie sind mit dieser Art von Problem fertig.

Ich bin dafür bekannt, 1/2 Äquivalenzprobleme auf eine Prüfung zu legen, weil Prüfungen oft lang sind, Sie nur 50 Minuten haben, es viele verschiedene Arten von Problemen gibt und dieses Problem Sie nicht lange in Anspruch nehmen sollte. Sie müssen mir nicht beweisen, dass dies wahr ist. Alles, was Sie sich merken müssen, 1/2 Äquivalenzpunkt, p h ist gleich p k a, und wenn Sie p k a berechnen, sind Sie fertig. Dies ist also eine kurze Art von Problem. Wenn Sie sich an die Definition von 1/2 Äquivalenzpunkt erinnern, ist es einfach. Jetzt haben wir also eine andere Zahl, also 3 . 75, und wir arbeiten an unserer Kurve.

Kommen wir nun zum Äquivalenzpunkt. Am Äquivalenzpunkt haben Sie die gleiche Anzahl von Molen Ihrer starken Base hinzugefügt, wie Sie schwache Säure hatten. Sie haben also Ihre gesamte schwache Säure in ihre konjugierte Base umgewandelt. Der ph sollte also größer als 7 sein. Jetzt haben Sie nur noch die konjugierte Basis, das ist einfach, ph sollte größer als 7 sein.

Wenn Sie diese Titration durchführen, haben Sie also Ihre schwache Säure und Ihre starke Base. Sie werden hier ein Salz bilden, und ein Salzproblem, Sie können mir von Salzen erzählen. Also, erinnere mich nur daran, was das N a plus hier zum pH beiträgt. Es wird neutral. Und was ist mit diesem Kerl hier unten? Ja, also wird es einfach sein. Also, das Natrium, alles Gruppe 1, Gruppe 2, keine Wirkung auf den pH-Wert, sie sind neutral. Aber wenn Sie eine konjugierte Base einer schwachen Säure haben, wird diese basisch sein. Salzprobleme, wirklich nur ein Teil dessen, was Sie bereits wissen.

Überprüfen Sie daher immer Ihre Arbeit. Wenn Ihr Ph nach dem, was Sie wissen, keinen Sinn ergibt, haben Sie möglicherweise einen mathematischen Fehler gemacht. Berechnen wir also den tatsächlichen pH-Wert am Äquivalenzpunkt. Wir wissen, dass es einfach sein sollte, aber was wird es sein? Zuerst müssen wir also wissen, wie viel von der starken Base wir hinzufügen mussten, da wir über alle Maulwürfe Bescheid wissen müssen. Wie viel davon mussten wir also hinzufügen.

Wir mussten also so viel von der starken Base hinzufügen, dass Sie alle Mole der schwachen Säure in ihr Konjugat umgewandelt haben. Also wir hatten 2. 5 mal 10 zu minus 3 Mol unserer schwachen Säure. Das wird also alles in die Mole der konjugierten Base umgerechnet, und das entspricht der Anzahl der Mole, die wir dafür benötigten. Also brauchten wir 2. 5 mal 10 zu minus 3 Mol unserer starken Base, um diese vollständige Umwandlung zu erreichen. Wir wissen, dass die Konzentration der Base 0,15 betrug. Wir hätten also 1 gebraucht. 67 mal 10 zu minus 2 Liter dieser Konzentration hinzugefügt, um den Äquivalenzpunkt zu erreichen.

Das Gesamtvolumen, das wir am Äquivalenzpunkt haben werden, beträgt also die 25 mil, mit denen wir beginnen mussten, plus diese 16 . 7 mil, um dieses endgültige Gesamtvolumen zu erhalten. Und denken Sie daran, Sie müssen immer daran denken, wie viel Gesamtvolumen und wie viel hinzugefügt wurde, um an diesen Punkt in der Titrationskurve zu gelangen. Dann können wir die Molarität berechnen, damit wir wissen, wie viele Mole der konjugierten Base gebildet wurden, und wir kennen das neue Volumen, damit wir die Konzentration der konjugierten Base berechnen können.

Jetzt können Sie mir helfen, dieses Problem zu lösen. Stellen Sie eine Gleichung auf, damit ich sie lösen kann. Nehmen wir uns 10 Sekunden. Das ist das beste Ergebnis, das wir heute hatten. Jep. Wir sprechen jetzt also von einer konjugierten Base. Wir haben also die gesamte schwache Säure in die konjugierte Base umgewandelt, und es handelt sich also um ein Problem mit einer schwachen Base in Wasser, also werden wir über a k b sprechen. Wenn Sie nur das k a für dieses Problem erhalten würden, wie würden Sie k b finden – was verbindet k a und k b miteinander? Kw, richtig. Sie können also berechnen, hier ist es Ihnen gegeben, aber Sie könnten es berechnen, wenn Sie einen Taschenrechner hätten, und Sie würden feststellen, dass dies wahr ist. Jetzt ist es eine schwache Basis im Wasserproblem. Wir sind nicht mehr in der Pufferregion. Wir haben unsere gesamte schwache Säure in das Konjugat umgewandelt. Es ist also eine schwache Basis im Wasserproblem. Wir haben also x zum Quadrat, 0,06, das war die von uns berechnete Konzentration minus x.

Überlegen Sie also noch einmal, um welche Art von Problem es sich handelt. Also wieder Problem mit schwacher Basis im Wasser -- x im Quadrat zu 0,06 minus x. Und wir können annehmen, dass x klein ist, und einen Wert für x berechnen, der 0,83 mal 10 hoch minus 6 beträgt, und dann werden wir p oh berechnen, weil x jetzt die Hydroxidionenkonzentration ist. Denn bei einem Problem mit einer schwachen Base in Wasser, hier bei dieser Art von Problem, der Base, und hier ist Ihre Säure – das Konjugat dieser Säure ist die Base, Hydroxid, und das Konjugat dieser schwachen Base ist seine konjugierte Säure hier , also jetzt, wenn wir nach x auflösen, lösen wir nach Hydroxidionen in der Konzentration auf, also berechnen wir apoh, woraus wir dann aph berechnen können. Wir können also 14 minus 5 nehmen. 74 und erhalten unseren Wert. Und es ist größer als neutral, es ist 8, es ist einfach, und das macht Sinn, es ist eine schwache Basis im Wasserproblem. Mal sehen, es ist 8. 26, also jetzt sind wir hier oben in unserer Kurve, und wir sind bei 8 . 26, und das wird für diese Art von Problem größer als 7 sein. Das macht also Sinn, es ist gut. Größer als 7 ist das, was wir sehen wollen.

Jetzt sind Sie also zu weit gegangen – Sie haben den Äquivalenzpunkt überschritten und fügen immer wieder Ihre starke Basis hinzu. Jetzt haben Sie immer noch etwas von der schwachen konjugierten Basis. Sie haben dies also immer noch in der Nähe, aber Sie haben nur 1 . 83 mal 10 hoch minus 6 Molar davon. Also sehr wenig - x ist klein. Ihr pH-Wert wird also von der Menge an extra starker Base bestimmt, die Sie hinzufügen. Dies ist also ähnlich wie bei einem Problem mit einer starken Säure oder einer starken Base im Wasser.

Wenn Sie also 5 mil über dem Äquivalenzpunkt liegen, ist dies das 5- mil-fache Ihrer Konzentration einer starken Basis, also haben Sie zusätzliche 7 . 5 mal 10 bis minus 4 Mol extra. Dann müssen Sie eine Konzentration davon berechnen und erinnern sich an das gesamte Volumen – Sie sind 5 mil vorbei, Sie hatten 25 Meilen am Anfang, und Sie mussten 16 hinzufügen. 7 mil, um den Äquivalenzpunkt zu erreichen. Und Sie haben, das ist Ihr Gesamtvolumen, Sie erhalten eine Konzentration, das ist Ihre Hydroxidkonzentration, es reagiert vollständig, Sie müssen hier keine Gleichgewichtstabelle erstellen. Es wird komplett, es ist eine starke Basis. Sie könnten versuchen, den Wert Ihrer anderen schwachen Basis dazu zu addieren, aber denken Sie daran, dass das 10 mal minus 6 ist, also wird es bei signifikanten Zahlen nicht signifikant sein.Sie können also einfach diesen Wert verwenden – stecken Sie ihn in p o h ein, berechnen Sie ihn und berechnen Sie dann p h. Und so sind wir jetzt irgendwo hier oben bei p h 12 . 21, 5 mil vorbei. Und da haben wir ein Titrationsproblem gelöst.

Sehen wir uns also an, was wir gesehen haben. Am Anfang, null Mil der starken Base, haben wir ein schwaches Säure-in-Wasser-Problem. Wir bewegten uns in die Pufferregion, wo wir unsere schwache Säure und die konjugierte Base dieser schwachen Säure hatten. Am Äquivalenzpunkt haben wir die gesamte schwache Säure in die konjugierte Base umgewandelt, es handelt sich also um ein schwaches Basenproblem. Und jenseits des Äquivalenzpunktes ist es ein starkes Basisproblem. Daran haben wir gerade gearbeitet.

Also können wir das jetzt alle abhaken. Sie wissen, wie Sie all diese Arten von Problemen lösen können. Und es gibt nicht so viele, Sie müssen nur herausfinden, wo Sie was anwenden können. Und wenn Sie das können, sind Sie bereit, diese Einheit wird Ihnen leicht fallen, und Sie können mich bei der Prüfung sehr glücklich machen. Es gibt nichts – nun ja, es gibt wenige Dinge im Leben, die für mich so schön sind wie ein perfekt gearbeitetes Titrationsproblem. Es macht mir wirklich Freude, und manchmal habe ich Leute in der Prüfung schreiben lassen: "Ich hoffe, dass meine Lösung Ihnen Freude bereitet." Und ich schreibe oft: "Ja, das tut es" und setze ein Lächeln auf. Denn es ist wirklich schön, diese schön gearbeiteten zu sehen. Ich weiß, ich bin ein bisschen nerdig und geeky, aber nach gestern ist es wieder cool, schlau und ein Nerd und ein Geek zu sein.

In Ordnung, also lass mich dir einfach sagen, wohin wir gehen. Wir haben noch fünf Minuten, und eigentlich ist das perfekt, weil ich in diesen fünf Minuten einige Regeln durchkomme. Also lass uns 5 Minuten Regeln machen.

Die Oxidationsreduktion hat nicht viele Regeln, also sind fünf Minuten eigentlich alles, was wir dafür brauchen. Oxidationsreduktion beinhaltet Gleichgewicht, sie beinhaltet Thermodynamik. Ich mag es, weil es sehr wichtig für Reaktionen im Körper ist, und auch für Säure-Basen - P k a's sind dafür wirklich wichtig. Zwischen Säure-Basen- und Oxidationsreduktion decken Sie also die Funktionsweise vieler Enzyme ab.

Lassen Sie mich Ihnen also fünf Minuten Regeln geben, und das wird Ihnen in dieser Einheit gute Dienste leisten. Einige davon sind ziemlich einfach. Bei freien Elementen hat jedes Atom eine Oxidationszahl von 0, also wäre dies 0. Also eine Oxidationszahl von 0 in einem freien Element. Bei Ionen, die aus einem Atom bestehen, ist die Oxidationszahl gleich der Ladung des Atoms, sodass Lithium plus 1-Ionen eine Oxidationszahl von plus 1 haben würden. Wieder ziemlich einfach.

Gruppe eins und Gruppe zwei machen dir das Leben leicht. Sie scheinen viele einheitliche Regeln zu haben. Metalle der Gruppe eins im Periodensystem haben Oxidationszahlen von 1. Metalle der Gruppe zwei haben Oxidationszahlen von plus 2. Aluminium ist plus 3 in allen seinen Verbindungen. Ziemlich einfach.

Jetzt kommen wir zu etwas komplizierteren, aber immer noch nützlichen Dingen, Sauerstoff. Sauerstoff ist meistens minus 2, aber es gibt Ausnahmen, wie zum Beispiel in Peroxiden, wo er eine Oxidationszahl von minus 1 haben kann, und wenn es sich um ein Metall der Gruppe eins handelt, kann es minus 1 sein. Denken Sie daran, Gruppe eins und tatsächlich Gruppe zwei hier, das ist plus 1, immer plus 1, immer plus 1, immer plus 2, also muss Wasserstoff das aufnehmen. Also normalerweise plus 1, außer wenn es sich in einem binären Komplex mit diesen bestimmten Metallen befindet, die in Gruppe eins oder Gruppe zwei sind.

Fluor, fast immer minus 1 oder immer minus 1 – andere Halogene, ein Chlorid, Bromid, Jodid, normalerweise auch negativ, aber wenn sie mit Sauerstoff sind, dann ändert es sich. Hier ist also ein Beispiel. Und in neutralen Molekülen muss die Summe der Oxidationszahlen 0 sein. Wenn das Molekül eine Ladung hat, muss die Summe der Oxidationszahlen dieser Ladung entsprechen. Machen wir also ein kurzes Beispiel. Was wird in diesem Fall Wasserstoff sein? Plus 1, also nicht mit einem Gruppe-Eins-Gruppe-Zwei-Metal hier. Was bleibt also für Stickstoff übrig? Und das ergibt die Summe plus 1, die gleich der Summe dieses Moleküls ist, also funktioniert das. Wir haben also Stickstoff vielleicht nicht gekannt, aber wir können es herausfinden, wenn wir die Regeln für Wasserstoff kennen und wissen, was alles aushalten muss.

Und so ist diese Einheit nach der Oxidationsreduktion manchmal eine Erleichterung, denn es geht nur um einfaches Addieren und Subtrahieren, so schlimm ist es nicht.

OK, Oxidationszahlen müssen keine ganzen Zahlen sein. Beispiel hier, Sie haben Superoxid, wie wäre seine Oxidationszahl? Minus 1/2.

Und das sind die Regeln, und dann kommen wir am Freitag zurück und schauen uns einige Beispiele an.


Vorlesung 08: Redoxreaktionen - Biologie

1. Lichtabhängige Reaktionen finden im Intermembranraum des Thylakoide.

2. Im Stroma finden lichtunabhängige Reaktionen des Calvin-Zyklus statt.

  • Photoaktivierung des Photosystems II:
  • Photolyse von Wasser:
  • Elektronentransportsystem: Proteine, die in die Thylakoidmembran eingebettet sind, übertragen Energie entlang eines Weges in einer Reihe von Redoxreaktionen:
  • Photoaktivierung des Photosystems I:
  • Reduktion von NADP + ----> NADPH + H + :
  • nicht-zyklische Photophosphorylierung:
  • zyklische Photophosphorylierung:

9. ATP-Synthase in Thylakoiden erzeugt ATP unter Verwendung des Protonengradienten.

10. Bei den lichtunabhängigen Reaktionen katalysiert eine Carboxylase die Carboxylierung von Ribulosebisphosphat.

  • Ribulosebisphosphat-Carboxylase (Rubisco): ein Enzym mit Carboxylaten Ribulosebisphosphat, um 2 Moleküle Glycerat-3-Phosphat zu bilden
  • Reduktion von Glycerat-3-phosphat (G3P) zu Triosephosphat (TP):
    • Reduktion, angetrieben durch Energie aus ATP und NADPH + H +
    • Produkte lichtabhängiger Reaktionen liefern Energie, um G3P zu TP . zu reduzieren

    12. Ribulosebisphosphat wird mit ATP reformiert.

    • Regeneration von RuBP:
      • 83% des 3-Kohlenstoff-TP werden verwendet, um 5-Kohlenstoff-RuBP . zu regenerieren
      • Energie aus ATP . nutzen

      13. Triosephosphat wird verwendet, um RuBP zu regenerieren und Kohlenhydrate zu produzieren.

      • Synthese von Kohlenhydraten und anderen Produkten :
        • Enzyme wandeln TP in verschiedene Produkte um
          • Monosaccharide: Glucose, Fructose
          • Disaccharide: Saccharose
          • Polysaccharide: Stärke
          • andere Produkte: Lipide, Aminosäuren, Nukleinsäuren

          14. Die Struktur des Chloroplasten ist an seine Funktion bei der Photosynthese angepasst.

          • Chloroplast hat eine Doppelmembran, die die inneren Bedingungen reguliert
          • Chloroplasteninneres in Thylakoide und Stroma getrennt
            • Thylakoide = Ort lichtabhängiger Reaktionen
              • große Oberfläche für maximale Lichtabsorption
              • kleiner Raum innerhalb der Thylakoide ermöglicht die Ansammlung von Protonen
              • Thylakoid Inneres sauer/ pH = 4/ hohe Protonenkonzentration ermöglicht einen chemiosmotischen Gradienten
              • Stroma pH = 8/ basisch, wobei die Enzyme des Calvin-Zyklus optimal funktionieren
              • Pigmente verankern sich in Thylakoidmembranen durch hydrophobe/Kohlenwasserstoffschwänze
              • ETC-Proteine ​​zwischen den Photosystemen II und I pumpen Protonen in das Innere des Thylakoids und erhöhen den chemiosmotischen Gradienten
              • An die äußere Thylakoidmembran gebundene NADP-Reduktase ermöglicht die Reduktion von NADP zu NADPH für den Calvin-Zyklus
              • Ermöglichung des Protonenflusses entlang des chemiosmotischen Gradienten/Photophosphorylierung/ATP-Produktion im Stroma
              • Chloroplasten-Ribosomen ermöglichen die Proteinsynthese

              Fertigkeit: Annotation eines Diagramms, um die Anpassungen eines Chloroplasten an seine Funktion.


              Vorlesungsnotizen

              1. Zeichnen Sie die Struktur eines Chloroplasten, wie sie in elektronenmikroskopischen Aufnahmen zu sehen ist.

              2. Geben Sie an, dass die Photosynthese aus lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen besteht.

              3. Erklären Sie die lichtabhängigen Reaktionen einschließlich der:

              • Photoaktivierung des Photosystems II:
              • Photolyse von Wasser:
              • Elektronentransportsystem: Proteine, die in die Thylakoidmembran eingebettet sind, übertragen Energie entlang eines Weges in einer Reihe von Redoxreaktionen:
              • Photoaktivierung des Photosystems I:
              • Reduktion von NADP+ ----> NADPH + H+:
              • nicht-zyklische Photophosphorylierung:
              • zyklische Photophosphorylierung:

              4. Erklären Sie die Phosphorylierung im Sinne einer Chemiosmose:

              5. Erklären Sie die lichtunabhängigen Reaktionen einschließlich der Rollen von:

              • Ribulosebisphosphat-Carboxylase (Rubisco): ein Enzym mit Carboxylaten Ribulosebisphosphat, um 2 Moleküle Glycerat-3-Phosphat zu bilden
              • Reduktion von Glycerat-3-phosphat (GP) zu Triosephosphat (TP):
                • Reduktion, angetrieben durch Energie aus ATP und NADPH + H+
                • Produkte lichtabhängiger Reaktionen liefern Energie, um GP zu TP . zu reduzieren
                • 83% des 3-Kohlenstoff-TP werden verwendet, um 5-Kohlenstoff-RuBP . zu regenerieren
                • Energie aus ATP . nutzen
                • Enzyme wandeln TP in verschiedene Produkte um
                  • Monosaccharide: Glucose, Fructose
                  • Disaccharide: Saccharose
                  • Polysaccharide: Stärke
                  • andere Produkte: Lipide, Aminosäuren, Nukleinsäuren

                  6. Erklären Sie die Beziehung zwischen der Struktur des Chloroplasten und seiner Funktion.

                  • Chloroplast hat eine Doppelmembran, die die inneren Bedingungen reguliert
                  • Chloroplasteninneres in Thylakoide und Stroma getrennt
                    • Thylakoide = Ort lichtabhängiger Reaktionen
                      • große Oberfläche für maximale Lichtabsorption
                      • kleiner Raum innerhalb der Thylakoide ermöglicht die Ansammlung von Protonen
                      • Thylakoid Inneres sauer/ pH = 4/ hohe Protonenkonzentration ermöglicht einen chemiosmotischen Gradienten
                      • Stroma pH = 8/ basisch, wobei die Enzyme des Calvin-Zyklus optimal funktionieren
                      • Pigmente verankern sich in Thylakoidmembranen durch hydrophobe/Kohlenwasserstoffschwänze
                      • ETC-Proteine ​​zwischen den Photosystemen II und I pumpen Protonen in das Innere des Thylakoids und erhöhen den chemiosmotischen Gradienten
                      • An die äußere Thylakoidmembran gebundene NADP-Reduktase ermöglicht die Reduktion von NADP zu NADPH für den Calvin-Zyklus
                      • Ermöglichung des Protonenflusses entlang des chemiosmotischen Gradienten/Photophosphorylierung/ATP-Produktion im Stroma
                      • Chloroplasten-Ribosomen ermöglichen die Proteinsynthese

                      7. Zeichnen Sie das Aktionsspektrum der Photosynthese.

                      8. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen dem Aktionsspektrum und den Absorptionsspektren von photosynthetischen Pigmenten in grünen Pflanzen.

                      • ein Absorptionsspektrum zeigt die Lichtmenge jeder Wellenlänge an, die von einem bestimmten Pigment absorbiert wird
                        • Jedes photosynthetische Pigment absorbiert bestimmte Lichtwellenlängen
                        • ein Photosystem besteht aus einer Vielzahl von photosynthetischen Pigmenten
                        • photosynthetische Pigmente arbeiten in einem Photosystem zusammen, um die absorbierte Lichtmenge zu erhöhen

                        9. Erklären Sie das Konzept der limitierenden Faktoren in Bezug auf Lichtintensität, Temperatur und CO2-Konzentration.


                        Vorlesung 08: Redoxreaktionen - Biologie

                        Oxidations-Reduktions-Reaktionen sind von zentraler Bedeutung in der organischen Chemie und Biochemie. Die Verbrennung von Brennstoffen, die die Energie liefern, um unsere Zivilisation zu erhalten, und der Stoffwechsel von Nahrungsmitteln, die die Energie liefern, die uns am Leben erhält, beinhalten Redoxreaktionen.

                        Abbildung 5.5 Die Verbrennung von Erdgas

                        Die Verbrennung von Erdgas ist nicht nur eine Verbrennungsreaktion, sondern auch eine Redoxreaktion. Ähnliche Reaktionen umfassen das Verbrennen von Benzin und Kohle. Dies sind auch Redoxreaktionen.

                        Alle Verbrennungsreaktionen sind auch Redoxreaktionen. Eine typische Verbrennungsreaktion ist die Verbrennung von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas (Abbildung 5.5 „Die Verbrennung von Erdgas“).

                        In der Atmung Der biochemische Prozess, bei dem der eingeatmete Sauerstoff Lebensmittel zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. , dem biochemischen Prozess, bei dem der Sauerstoff, den wir in der Luft einatmen, Lebensmittel zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, liefern Redoxreaktionen Energie an lebende Zellen. Eine typische Atemreaktion ist die Oxidation von Glucose (C6h12Ö6), den einfachen Zucker, den wir im Aufsatz zur Kapiteleröffnung kennengelernt haben, der die Ernährung von Hefe ausmacht:

                        Organische Chemiker verwenden eine Vielzahl von Redoxreaktionen. Zum Beispiel Kaliumdichromat (K2Cr2Ö7) ist ein übliches Oxidationsmittel, das zur Oxidation von Alkoholen verwendet werden kann (symbolisiert durch die allgemeine Formel ROH). Das Reaktionsprodukt hängt von der Lage der funktionellen OH-Gruppe im Alkoholmolekül, den relativen Anteilen von Alkohol und dem Dichromat-Ion und den Reaktionsbedingungen wie der Temperatur ab. Wenn die OH-Gruppe an ein endständiges Kohlenstoffatom gebunden ist und das Produkt bei seiner Bildung abdestilliert wird, ist das Produkt ein Aldehyd mit einem endständigen Carbonylgruppe (C=O) und wird oft als RCHO geschrieben. Ein Beispiel ist die Reaktion des Alkoholtesters zum Nachweis von Ethylalkohol (C2h5OH) im Atem einer Person:

                        Wenn das Produkt Acetaldehyd (CH3CHO) wird bei der Bildung nicht entfernt, sondern weiter zu Essigsäure (CH3COOH). In diesem Fall sieht die Gesamtreaktion wie folgt aus:

                        Bei dieser Reaktion wird das Chromatom von Cr . reduziert2Ö7 2– zu Cr 3+ , und das Ethanol wird zu Essigsäure oxidiert.

                        Wenn die OH-Gruppe des Alkohols an ein inneres Kohlenstoffatom gebunden ist, erzeugt die Oxidation eines Alkohols ein Keton. (Die Formeln von Ketonen werden oft als RCOR geschrieben, und die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung ist eine Doppelbindung.) Das einfachste Keton leitet sich von 2-Propanol (CH3CHOHCH3). Es ist das gängige Lösungsmittel Aceton [(CH3)2CO], das in Lacken, Lacken, Gummizement und Nagellackentferner verwendet wird. Aceton kann durch folgende Redoxreaktion gebildet werden:

                        Wie wir gerade gesehen haben, können durch Oxidation von Alkoholen Aldehyde und Ketone gebildet werden. Umgekehrt können Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert werden. Die Reduktion der Carbonylgruppe ist in lebenden Organismen wichtig. Zum Beispiel im anaeroben Stoffwechsel Ein biochemischer Prozess, der in Abwesenheit von Sauerstoff abläuft. , bei dem biochemische Prozesse in Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen, Brenztraubensäure (CH3COCOOH) wird zu Milchsäure (CH3CHOHCOOH) in den Muskeln.

                        (Brenztraubensäure ist sowohl eine Carbonsäure als auch ein Keton, nur die Ketongruppe ist reduziert.) Die Ansammlung von Milchsäure während eines intensiven Trainings ist zum großen Teil für die Ermüdung verantwortlich, die wir erfahren.

                        In der Lebensmittelchemie werden die Stoffe als Antioxidantien bezeichnet. Ein Stoff in Lebensmitteln, der als Reduktionsmittel wirkt. sind Reduktionsmittel. Ascorbinsäure (Vitamin C C6h8Ö6) soll die potenziell schädliche Oxidation lebender Zellen verzögern. Dabei wird es zu Dehydroascorbinsäure (C6h6Ö6). Im Magen reduziert Ascorbinsäure das Nitrit-Ion (NO2 − ) zu Stickoxid (NO):

                        Würde diese Reaktion nicht stattfinden, würden Nitrit-Ionen aus Lebensmitteln das Eisen im Hämoglobin oxidieren und seine Fähigkeit, Sauerstoff zu transportieren, zerstören.

                        Tocopherol (Vitamin E) ist auch ein Antioxidans. Es wird angenommen, dass Vitamin E im Körper wirkt, indem es schädliche Nebenprodukte des Stoffwechsels abfängt, wie die hochreaktiven molekularen Fragmente, die als freie Radikale bezeichnet werden. In Lebensmitteln verhindert Vitamin E, dass Fette oxidiert und damit ranzig werden. Vitamin C ist auch ein gutes Antioxidans (Abbildung 5.6 „Zitrusfrüchte“).

                        Zitrusfrüchte wie Orangen, Zitronen und Limetten sind gute Quellen für Vitamin C, das ein Antioxidans ist.

                        Schließlich und von größter Bedeutung führen grüne Pflanzen die Redoxreaktion durch, die fast alles Leben auf der Erde ermöglicht. Sie tun dies durch einen Prozess namens Photosynthese Der Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenenergie nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose umzuwandeln. , in dem Kohlendioxid und Wasser in Glucose (C6h12Ö6). Die Synthese von Glukose erfordert eine Vielzahl von Proteinen, die Enzyme genannt werden, und ein grünes Pigment namens Chlorophyll, das Sonnenlicht in chemische Energie umwandelt (Abbildung 5.7 "Leben auf der Erde"). Die auftretende Gesamtänderung sieht wie folgt aus:

                        Photosynthese ist der grundlegende Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln. Dann produzieren Pflanzen komplexere Kohlenhydrate. Es ist die ultimative Quelle aller Nahrung auf der Erde, und es ist eine Redoxreaktion.

                        Bei dieser Reaktion wird Kohlendioxid zu Glucose reduziert und Wasser zu Sauerstoffgas oxidiert. Andere Reaktionen wandeln die Glukose in komplexere Kohlenhydrate, Pflanzenproteine ​​und Öle um.

                        Übung zur Konzeptüberprüfung

                        Nennen Sie einige biochemische Beispiele für Oxidations- und Reduktionsreaktionen.

                        Antworten

                        Photosynthese und Antioxidantien in Lebensmitteln (Antworten variieren)

                        Schlüssel zum Mitnehmen

                        • Redoxreaktionen sind in der organischen und biologischen Chemie üblich, einschließlich der Verbrennung organischer Chemikalien, Atmung und Photosynthese.

                        Übungen

                        Eine im Text diskutierte typische Atemreaktion ist die Oxidation von Glucose (C6h12Ö6):

                        Ist das eine Redoxreaktion? Wenn ja, welche Oxidations- und Reduktionsmittel gibt es?

                        Die wichtigste Nettoreaktion bei der Photosynthese ist wie folgt:

                        Ist das eine Redoxreaktion? Wenn ja, welche Oxidations- und Reduktionsmittel gibt es?

                        Was wäre das ultimative Bio-Produkt, wenn CH3CH2CH2OH mit einer Lösung von K2Cr2Ö7?

                        Was wäre das ultimative Bio-Produkt, wenn CH3CH2CH2OH mit einer Lösung von K2Cr2Ö7?

                        Was wäre das Bio-Endprodukt, wenn CH3CH2CHOHCH3 mit einer Lösung von K2Cr2Ö7?

                        Was wäre das wichtigste Bioprodukt, wenn CH3CH2CHOHCH2CH3 mit einer Lösung von K2Cr2Ö7?

                        Welcher Alkohol entsteht bei der Reduktion von Aceton [(CH3)2CO]?

                        Welcher Alkohol wird bei der Reduktion von Propanal (CH3CH2CHO)?


                        Klasse 11 Chemie Kapitel 8 Redoxreaktionen befasst sich hauptsächlich mit dem Verständnis der klassischen Idee der Redoxreaktionen, die die Oxidations- und Reduktionsreaktionen und andere Themen wie Elektrodenprozesse, Oxidationszahl und Elektronentransferreaktionen umfasst. Um die Themen leicht verständlich zu machen und den Schülern zu helfen, sich gut auf die Prüfungen vorzubereiten, stehen diese CBSE-Revisionsnotizen für Klasse 11 Chemie Kapitel 8 Redoxreaktionen auf der offiziellen Website von Vedantu zum kostenlosen Download bereit. Die Studierenden können diese Hinweise zur Überarbeitung des gesamten Kapitels nutzen und sich gleichzeitig mit allen wichtigen Themen vertraut machen. Sie können dies auch nutzen, um effektiv zu lernen, in der Klasse vorne zu bleiben und in den Prüfungen gute Ergebnisse zu erzielen.

                        Die Schüler können schließlich das PDF der Klasse 11 Chemie Kapitel 8 Redoxreaktionen CBSE Revisionsnotizen von Vedantu untersuchen.


                        Vorlesung 08: Redoxreaktionen - Biologie

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                        Vorlesung 08: Redoxreaktionen - Biologie

                        NADH, kurz für Nicotinamidadenindinukleotid, ist ein wichtiges Pyridinnukleotid, das als oxidativer Cofaktor in eukaryontischen Zellen fungiert. NADH spielt eine Schlüsselrolle bei der Energiegewinnung durch Redoxreaktionen. NAD dient als Cofaktor für Dehydrogenasen, Reduktasen und Hydroxylasen und ist damit ein wichtiger Träger von H + und e - in wichtigen Stoffwechselwegen wie der Glykolyse, dem Triacarbonsäurezyklus, der Fettsäuresynthese und der Sterlingsynthese.

                        Eine Substanz, zum Beispiel ein Coenzym oder ein Metallion, die mit der Aktivität eines Enzyms zusammenwirkt und für dessen Aktivität essentiell ist

                        Wie reduziert es die Aktivierungsenergie einer Reaktion?

                        Enzyme beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie Substrate in einer optimalen Orientierung zusammenbringen. Indem sie die Voraussetzungen für das Knüpfen und Brechen von Bindungen schaffen, stabilisieren Cofaktoren Übergangszustände. Übergangszustände sind die energiereichsten Spezies in Reaktionswegen. Auf diese Weise bestimmt das Enzym selektiv, welche von mehreren möglichen chemischen Reaktionen tatsächlich abläuft.

                        Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) ist eines der wichtigsten Coenzyme in der Zelle. Es überrascht nicht, dass NAD und das eng verwandte NADP die beiden am häufigsten vorkommenden Cofaktoren in eukaryotischen Zellen sind. Gesunde Körper stellen das gesamte NADH her, das sie benötigen, indem sie Vitamin B3 (auch bekannt als Niacin oder Nicotinamid) als Ausgangspunkt verwenden. Das NAD-Coenzym fungiert als Wasserstoffakzeptor in Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Die Elektronentransportkette bei der Zellatmung ist für die Energieproduktion verantwortlich und ist ein hervorragendes Beispiel für die Beteiligung von NAD an Redoxreaktionen.

                        Wegen der positiven Ladung des Stickstoffatoms im Nicotinamidring wird die oxidierte Form dieses wichtigen Redoxreagens oft als NAD+ bezeichnet. In Zellen werden die meisten Oxidationen durch die Entfernung von Wasserstoffatomen erreicht. Dabei spielt das NAD-Coenzym eine entscheidende Rolle. Jedes NAD+-Molekül kann zwei Elektronen aufnehmen, dh um zwei Elektronen reduziert werden. Allerdings begleitet nur ein Proton die Reduktion. Das andere Proton, das bei der Entfernung von zwei Wasserstoffatomen aus dem zu oxidierenden Molekül entsteht, wird in das umgebende Medium freigesetzt. Für NAD ist die Reaktion:

                        Strukturen von NAD & NADH

                        NAD ist an vielen Redoxreaktionen in Zellen beteiligt, einschließlich derjenigen bei der Glykolyse und den meisten Reaktionen im Zitronensäurezyklus der Zellatmung. Diese Seite zeigt drei Beispiele für Oxidoreduktase-Enzyme (eine Oxidase, die molekularen Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet), die NAD als Cofaktor verwenden, um eine Dehydratisierungsreaktion zu katalysieren. Folgen Sie den Links unten, um zu sehen, wie Alkoholdehydrogenase, Glyceraldehyd-3-Phosphatdehydrogenase und Laktatdehydrogenase NAD verwenden, um die von ihnen katalysierten Reaktionen zu beschleunigen.

                        Um die 3D-Moleküle auf dieser Seite anzuzeigen, benötigen Sie Chime. Sie können Chime kostenlos von der folgenden Website herunterladen:

                        Außerdem benötigen Sie Netscape. Sie können den Netscape-Browser von der folgenden Site herunterladen:


                        6. Oxidationszustand: Verfolgung des Elektronengewinns und -verlusts

                        Um zu beschreiben, wie oxidiert ein Element in einer Substanz ist, verwenden Chemiker Oxidationszustand. Es sagt uns, wie viele Elektronen ein Element gewonnen oder verloren hat, um die Substanz zu bilden.

                        Der Bezugspunkt ist ein Atom in seiner elementaren Form, wie Na, O2 und Br2. Sie sind wie der Standardzustand, mit einem Oxidationszustand Null.

                        Oxidationszustand von Ionen in ionischen Verbindungen

                        Wenn ein Atom in seiner elementaren Form hat gewonnene oder verlorene Elektronen Formen Ionen, die Oxidationsstufe entspricht der Ladung. Da beispielsweise Kupfer(II)-Ionen eine Ladung von 2+ haben, hat das Element Kupfer in Kupfer(II)-Oxid eine Oxidationsstufe von +2.

                        Anders als wir die Ladung eines Ions schreiben, schreiben wir jedoch das Plus- oder Minuszeichen Vor die Zahl für Oxidationsstufen.

                        Oxidationszustand von Atomen in kovalenten Verbindungen

                        Während Atome in kovalenten Verbindungen wie Chlorwasserstoff keine vollständigen Ladungen haben, ist ihre Oxidationsstufe nicht Null. Dies liegt daran, dass gemeinsames Elektronenpaar ist ungleichmäßig verteilt. Sie werden stärker von Chloratomen angezogen.

                        Daher können wir die ungleichmäßige Verteilung der Elektronen in Richtung des Chloratoms als “-Gewinn” des Elektrons annähern und geben ihr einen Oxidationszustand von -1. Auf der anderen Seite werden wir so tun, als hätte Wasserstoff in dieser ungleichmäßigen Verteilung sein Elektron “verloren” und hat daher eine Oxidationsstufe von +1.

                        Die gleiche ungleichmäßige Elektronenverteilung tritt bei allen kovalenten Verbindungen auf. Die Oxidationsstufen der Elemente in kovalenten Verbindungen sind in der Regel wie folgt:

                        Beispielsweise wird bei der obigen Halogenverdrängungsreaktion Jodid oxidiert, wenn der Oxidationszustand des Elementjods von -1 im Jodid auf 0 im elementaren Jodmolekül ansteigt. Umgekehrt wird Chlor reduziert, wenn sein Oxidationszustand von 0 im elementaren Chlormolekül auf -1 im Chlorid abnimmt.


                        Schau das Video: Afstemning af redoxreaktion: Oxidation af propan-1-ol (Kann 2022).