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12: Energetik und Redoxreaktionen - Biologie

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Stoffwechsel bezieht sich auf die Summe der chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle ablaufen. Katabolismus ist der Abbau organischer und anorganischer Moleküle, der verwendet wird, um Energie freizusetzen und Moleküle abzuleiten, die für andere Reaktionen verwendet werden könnten. Anabolismus ist die Synthese komplexerer Moleküle aus einfacheren organischen und anorganischen Molekülen, die Energie benötigt.

Energie

Während bei chemischen Reaktionen ein Teil der Energie als Wärme verloren geht, ist die für Zellen interessante Messung die Menge an kostenlos Energie (G), oder die Energie, die für die Arbeit zur Verfügung steht. Zellen führen drei verschiedene Arten von Arbeit aus: chemische Arbeit (wie Anabolismus), Transportarbeiten (wie Nährstoffaufnahme) und mechanische Arbeit (wie die Drehung einer Geißel).

Die Änderung der freien Energie wird typischerweise als ΔG°’, die die Änderung der freien Energie unter Standardbedingungen von pH 7, 25oC, 1 Atmosphäre Druck (auch bekannt als Standard kostenloser Energiewechsel). Eine Reaktion, die ein positives ΔG° erzeugt, zeigt an, dass die Reaktion Energie benötigt und endergonisch in der Natur. Eine Reaktion, die ein negatives ΔG° erzeugt, zeigt an, dass die Reaktion Energie freisetzt und exergonisch in der Natur. Reaktionen, die exergonisch sind, setzen Energie frei, die von der Zelle gespeichert werden kann, um Arbeit zu verrichten.

Adenosintriphosphat (ATP)

Adenosintriphosphat oder ATP ist ein energiereiches Molekül, das von allen Zellen als Energiewährung verwendet wird, zum Teil, weil es leicht eine Phosphorylgruppe an andere Moleküle abgibt. Eine exergonische Reaktion wird Energie freisetzen und die Synthese von ATP durch die Zugabe eines Phosphatmoleküls (Orthophosphat oder Pich) zu Adenosindiphosphat oder ADP. Eine endergonische Reaktion, die Energie erfordert, wird mit der Hydrolyse von ATP zu ADP + P . gekoppeltich, wobei die freigesetzte Energie zum Antrieb der Reaktion verwendet wird.

Enzyme

Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, müssen chemische Bindungen aufgebrochen werden. Die Energie, die zum Aufbrechen von Bindungen benötigt wird, heißt Aktivierungsenergie. Die benötigte Aktivierungsenergie einer Zelle kann mit Hilfe von a . gesenkt werden Katalysator, Stoffe, die den Ablauf der Reaktion unterstützen, ohne selbst durch die Reaktion verändert zu werden. Zellen verwenden Proteinkatalysatoren, bekannt als Enzyme.

Aktivierungsenergie. Von Ursprünglich hochgeladen von Jerry Crimson Mann, vektorisiert von Tutmosis, korrigiert von Fvasconcellos (de:Image:Activation2.png) [GFDL oder CC-BY-SA-3.0], über Wikimedia Commons

Redoxreaktionen

Zellen speichern Energie in Form von ATP, indem sie seine Synthese an die Freisetzung von Energie über . koppeln Oxidations-Reduktions-(Redox-)Reaktionen, wo Elektronen von an Elektronendonator zu einem Elektronenakzeptor. Die Oxidation eines Moleküls bezieht sich auf den Verlust seiner Elektronen, während sich die Reduktion eines Moleküls auf seinen Elektronengewinn bezieht. Organische Chemiker beziehen sich oft auf den Prozess mit der Gedächtnisstütze ÖLBOHRINSEL: Oxidation ist Verlust, Reduktion ist Gewinn. Ein oxidiertes Molekül wirkt als Elektronendonor, während das reduzierte Molekül als Elektronenakzeptor fungiert. Da Elektronen Energie darstellen, kann man sich eine Substanz mit vielen Elektronen als energiereich vorstellen.

Konjugiertes Redox-Paar

Elektronen existieren in Lösung nicht frei, sie müssen mit Atomen oder Molekülen gekoppelt sein. Jede Redoxreaktion besteht aus zwei Halbreaktionen, bei denen eine Substanz Elektronen abgibt und somit zu einem oxidierten Produkt wird, während eine andere Substanz die Elektronen aufnimmt und somit zu einem reduzierten Produkt wird. Konjugiertes Redoxpaar bezieht sich auf den Akzeptor und Donor einer Halbreaktion.

Eine Substanz kann entweder ein Elektronendonor oder ein Elektronenakzeptor sein, abhängig von den anderen Substanzen in der Reaktion. EIN Redox Paar stellt beide Formen einer Substanz in einer Halbreaktion dar, wobei die oxidierte Form (der Elektronenakzeptor) immer links und die reduzierte Form (der Elektronendonator) rechts steht. Ein Beispiel wäre ½ O2/H2O, wobei H2O als Elektronendonor und O2 als Elektronenakzeptor dienen könnte. Jede Halbreaktion ist gegeben a Standardreduzierungspotential (E’0) in Volt oder Millivolt, die ein Maß für die Tendenz des Donors bei der Reaktion ist, Elektronen abzugeben. Ein Stoff mit stärkerer Tendenz zur Elektronenabgabe in reduzierter Form hat ein negativeres E’0, während ein Stoff mit schwacher Tendenz zur Elektronenabgabe in reduzierter Form ein weniger negatives oder sogar positives E’0 hat. Eine Substanz mit negativem E’0 ist in reduzierter Form ein sehr guter Elektronendonator.

Redox-Turm

Die Informationen zu Standardreduktionspotentialen für verschiedene Redoxpaare werden in Form von a . angezeigt Redox-Turm, das die Paare in vertikaler Form basierend auf ihrem E’0 auflistet. Redox-Paare mit dem negativsten E’0 sind oben aufgeführt, während diejenigen mit dem positivsten E’0 unten aufgeführt sind. Die reduzierte Substanz mit der größten Tendenz zur Elektronenabgabe befindet sich rechts oben im Turm, während sich die oxidierte Substanz mit der größten Tendenz zur Elektronenaufnahme unten im Turm links befindet. Redoxpaare in der Mitte können entweder als Elektronendonoren oder -akzeptoren dienen, je nachdem, mit welcher Substanz sie eine Reaktion eingehen. Der Unterschied zwischen Reduktionspotentialen eines Donors und eines Akzeptors (ΔE’0) wird als Akzeptor E’0 minus Donor E’0 gemessen. Je größer der Wert für ΔE’0, desto mehr potentielle Energie für eine Zelle. Größere Werte werden abgeleitet, wenn der größte Abstand zwischen Donor und Akzeptor besteht (oder ein größerer Fall den Turm hinunter).

Elektronenturm.

Während ΔE’0 proportional zu ΔG°’ ist, ist auch die Anzahl der Elektronen wichtig, die eine Substanz abgeben muss. Die eigentliche Formel lautet:

[Updelta mathrm{G}^{circprime} = -nF cdot Updelta {mathrm{E}^{prime}}_{0}]

wo n ist die Anzahl der übertragenen Elektronen und F ist die Faraday-Konstante (23.062 cal/Mol-Volt, 96.480 J/Mol-Volt).

Elektronenträger

Die Übertragung von Elektronen vom Donor zum Akzeptor erfolgt nicht direkt, da chemisch unterschiedliche Elektronendonoren und -akzeptoren niemals miteinander wechselwirken können. Stattdessen nehmen viele zelluläre Zwischenprodukte an dem Prozess teil, wobei die Möglichkeit zur Energiegewinnung auf diesem Weg auftritt. Diese Zwischenprodukte heißen Elektron Transportunternehmenund sie gehen zwischen einer reduzierten Form (wenn sie ein Elektron tragen) und einer oxidierten Form (nachdem sie das Elektron weitergegeben haben) hin und her, ohne selbst in der Reaktion verbraucht zu werden.

Damit die Reaktion für die Zelle energetisch günstig ist, müssen die Ladungsträger in der Reihenfolge ihres Standard-Reduktionspotentials (dh den Redoxturm hinunter) angeordnet werden, wobei ein Elektron von einem Ladungsträger mit dem negativsten E'0 nach ein Träger mit einem weniger negativen E'0. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Ladungsträger sowohl Elektronen als auch Protonen aufnehmen, während andere Ladungsträger nur Elektronen aufnehmen. Diese Tatsache wird später in der Diskussion um die Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung sein.

Obwohl es viele verschiedene Elektronenträger gibt, von denen einige für bestimmte Organismen oder Gruppen von Organismen einzigartig sind, lassen Sie uns einige der gebräuchlicheren behandeln:

  • Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+/NADH) – ein Coenzym, das sowohl Elektronen (e-) als auch Protonen (H+) trägt, jeweils zwei. Ein eng verwandtes Molekül ist Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+/NADPH), das 2 Elektronen und 1 Proton aufnimmt.
  • Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD/FADH) und Flavinmononukleotid (FMN/FMNH) – jeweils 2 Elektronen und 2 Protonen tragen. Proteine ​​mit diesen Molekülen werden Flavoproteine ​​genannt.
  • Coenzym Q (CoQ)/Ubichinon – trägt 2 Elektronen und 2 Protonen.
  • Cytochrome – Verwenden Sie Eisenatome als Teil einer Hämgruppe, um jeweils 1 Elektron zu tragen.
  • Eisen-Schwefel (Fe-S) Proteine, wie zum Beispiel Ferredoxin – Verwenden Sie Eisenatome, die nicht zur Hämgruppe gehören, um jeweils 1 Elektron zu tragen.

Elektronentransportkette

Der Prozess beginnt mit einem anfänglichen Elektronendonor, einer Substanz von außerhalb der Zelle, und endet mit einem letzten Elektronenakzeptor, einer anderen Substanz von außerhalb der Zelle. In der Mitte werden die Elektronen von Ladungsträger zu Ladungsträger weitergegeben, während die Elektronen den Elektronenturm hinunterarbeiten. Um den Prozess effizienter zu gestalten, werden die meisten Elektronenträger in eine Membran der Zelle eingebettet, in der Reihenfolge, in der sie auf einem Redoxturm angeordnet sind. Diese Elektronentransportketten finden sich in der Zellmembran von Bakterien und Archaeen und in der Mitochondrienmembran von Eukaryoten.

Elektronentransportkette.

Schlüsselwörter

Stoffwechsel, Katabolismus, Anabolismus, freie Energie (G), chemische Arbeit, Transportarbeit, mechanische Arbeit, ΔG°’, Standardänderung der freien Energie, exergonisch, endergonisch, Adenosintriphosphat (ATP), Orthophosphat (P .)ich), Aktivierungsenergie, Katalysator, Enzym, Oxidations-Reduktions-Reaktion (Redox), Elektronendonor, Elektronenakzeptor, OIL RIG, konjugiertes Redoxpaar, Redoxpaar, Standardreduktionspotential (E'0), Redoxturm, ΔE'0, Elektron Träger, Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+/NADH), Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+/NADPH), Flavinadenindinukleotid (FAD/FADH), Flavinmononukleotid (FMN/FMNH), Coenzym Q (CoQ)/Ubichinon, Cytochrom, Eisen- Schwefel (Fe-S) Proteine, Ferredoxin, Elektronentransportkette (ETC).

Studienfragen

  1. Wie werden Stoffwechsel, Katabolismus und Anabolismus definiert?
  2. Was sind die 3 Hauptarten von Arbeit, die von Zellen ausgeführt werden? Was ist ein Beispiel für jeden Typ?
  3. Was ist freie Energie? Was ist kostenlose Standardenergie?
  4. Was sind die Merkmale einer endergonischen und einer exergonischen Reaktion? Wie können Zellen die Energie, die bei Reaktionen abgegeben wird, speichern?
  5. Welche Rolle spielt ATP in der Zelle und warum ist es eine gute Verbindung für diese Rolle?
  6. Was sind Enzyme? Welche Rolle spielen Enzyme beim Energiesparen?
  7. Was ist Oxidation und Reduktion? Was stellt das Standardreduktionspotential dar, z. B. 2H+/H2 = -0,42V? Geben Sie an, was jeder Term in dieser Gleichung darstellt. In Redoxpaaren mit einem negativeren O-R-Potential ist die reduzierte Form eher ein Elektron ____________________ und hat eine potentielle Energie von __________________________. Was ist ein konjugiertes Redoxpaar?
  8. Was ist ein Elektronenturm und wie hilft dieses Konzept, den Energieaustausch in einer Zelle zu erklären?
  9. Was ist „G0“? Was stellt es dar und wie wird es berechnet?
  10. Was ist ein Elektronenträger, welche Rolle spielen sie, was sind die häufigsten Elektronenträger in der Zelle und warum müssen sie ständig recycelt werden?
  11. Was ist eine Elektronentransportkette und wie funktioniert sie, um Energie für die Zelle zu sparen?


Schau das Video: REDOXREAKTIONEN. BEISPIELE. Chemie. Anorganische Verbindungen Eigenschaften und Reaktionen (Juni 2022).


Bemerkungen:

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