Maklumat

W2018_Bis2A_Lecture11_reading - Biologi

W2018_Bis2A_Lecture11_reading - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Metabolisme dalam BIS2A

Metabolisme selular mewakili kira-kira 1/3 kurikulum BIS2A. Anda akan belajar mengenai beberapa tindak balas kimia yang biasa yang berkaitan dengan transformasi blok bangunan molekul kehidupan dan mengenai mod teras pemindahan tenaga yang berbeza yang sering anda hadapi dalam biologi. Kisah tenaga dan rubrik cabaran reka bentuk yang diperkenalkan sebelumnya akan menjadi semakin penting dalam beberapa modul seterusnya dan seterusnya.

Apa yang telah kita pelajari? Bagaimanakah ia berkaitan dengan metabolisme?

  1. Kami telah memberi tumpuan kepada pengenalan dan sifat kimia kumpulan fungsional biologi yang sama. Semasa kita memasuki metabolisme, ini akan membantu anda mengetahui dan kadang-kadang meramalkan sifat kimia / kereaktifan sebatian yang belum pernah anda lihat sebelumnya.
  2. Kami telah berlatih mengenali dan mengklasifikasikan molekul kepada empat kumpulan berfungsi utama. Ini akan membantu anda semasa kita mula membincangkan cara membina dan memecahkan molekul ini.
  3. Kami telah mempelajari beberapa termodinamik asas, memberi kami satu konsep yang sama untuk membincangkan sama ada reaksi atau proses biokimia kemungkinan berlaku, dan jika demikian ke arah mana dan seberapa cepat. Ini akan menjadi kritikal ketika kita mulai mempertimbangkan beberapa jenis reaksi utama yang berlaku dalam metabolisme.
  4. Kami telah mempelajari dan mempraktikkan rubrik cerita tenaga. Ini juga akan membolehkan kami mengkaji secara sistematik tindak balas dan proses biokimia baharu dan membincangkannya dengan bahasa dan pendekatan yang sama yang konsisten dan mengukuhkan pelajaran yang kami pelajari tentang termodinamik.

Gambaran ringkas bahagian ini

  • Anda akan diperkenalkan dengan konsep penting yang dipanggil potensi pengurangan dan anda akan diberi peluang untuk menggunakan menara redoks. Terdapat juga perbincangan mengenai kimia redoks dalam manual perbincangan anda. Pastikan anda menggunakan kedua-dua sumber.
  • Anda akan diperkenalkan kepada dua pemain utama dalam metabolisme, ATP dan NADH. Anda diharapkan dapat mengenali strukturnya jika ditunjukkan dalam peperiksaan.
  • Glikolisis laluan metabolik akan dibincangkan secara terperinci. Perlu diingat bahawa kami ingin anda dapat melihat apa-apa reaksi dan memberitahu kami kisah tenaga mengenai reaksi itu. Jangan sekali-kali anda menghabiskan masa untuk menghafal laluan ini (walaupun ia akan membantu untuk mengingati beberapa perkara besar - ini akan ditekankan). Selalunya kami akan memberi anda laluan sebagai tokoh dalam peperiksaan. Glikolisis akhirnya menghasilkan 2 ATP melalui proses yang dipanggil fosforilasi tahap substrat, 2 NADH dan 2 sebatian piruvat.
  • Kami akan menggunakan reaksi kitaran TCA untuk membuat pelbagai contoh kisah tenaga. Kitaran TCA juga akan menghasilkan lebih banyak ATP, NADH dan sepenuhnya mengoksidakan glukosa menjadi CO2.
  • Kami akan melihat jalan alternatif untuk kitaran TCA, fermentasi. Dalam penapaian untuk pertama kalinya kita akan melihat NADH digunakan sebagai reaktan dalam reaksi metabolik.
  • Kami akan mengikuti NADH hingga akhir perjalanannya, kerana ia menyumbangkan elektronnya ke rantai pengangkutan elektron (ETC). Dalam modul ini, anda perlu menggunakan menara redoks. ETC menghasilkan kecerunan proton. Tidak ada ATP yang dihasilkan secara langsung dalam proses ini. Walau bagaimanapun, kecerunan proton kemudiannya digunakan oleh sel (antara lain) untuk menjalankan enzim yang dipanggil ATP synthase yang memangkinkan tindak balas ADP + Pi --> ATP. Kaedah pengeluaran ATP ini (disebut respirasi oksidatif) menghasilkan lebih banyak ATP dihasilkan daripada fosforilasi tahap substrat.
  • Dan akhirnya, kita akan melalui proses fotosintesis.

Reaksi Pengurangan-Pengoksidaan

Dalam kelas ini, majoriti daripada tindak balas pengoksidaan / pengurangan reaksi yang kita bincangkan berlaku dalam konteks jalur metabolik (set reaksi metabolik yang terhubung) di mana sebatian boleh dimakan oleh sel, dipecah menjadi bahagian yang lebih kecil dan kemudian dipasang kembali menjadi makromolekul yang lebih besar.

Mari bermula dengan beberapa reaksi generik

Memindahkan elektron antara dua sebatian mengakibatkan salah satu sebatian ini kehilangan elektron, dan salah satu sebatian memperoleh elektron. Contohnya, lihat gambar di bawah. Sekiranya kita menggunakan rubrik kisah tenaga untuk melihat tindak balas keseluruhan, kita boleh membandingkan ciri-ciri reaktan dan produk sebelum dan sesudah. Apa yang berlaku dengan perkara tersebut sebelum dan selepas reaksi? Sebatian A bermula sebagai neutral dan menjadi bercas positif. Sebatian B bermula sebagai neutral dan menjadi bercas negatif. Kerana elektron bercas negatif, kita boleh mengikuti pergerakan elektron dari sebatian A ke B dengan melihat perubahan cas. A kehilangan elektron (menjadi bermuatan positif), dan dengan demikian kita mengatakan bahawa A telah teroksidasi. Pengoksidaandikaitkan dengan kehilangan elektron. B memperoleh elektron (menjadi bercas negatif), dan kami mengatakan bahawa B telah berkurang. Pengurangandikaitkan dengan penambahan elektron. Kita juga tahu, kerana sesuatu berlaku bahawa tenaga mesti dipindahkan dan / atau disusun semula dalam proses ini dan kita akan mempertimbangkannya sebentar lagi.

Rajah 1. Tindak balas merah / lembu generik. Reaksi penuh ialah A +B pergi ke A+ + B-. Dua reaksi separuh ditunjukkan dalam kotak biru. A dioksidakan oleh tindak balas dan B dikurangkan oleh tindak balas.

Dengan cara lain, apabila elektron hilang, atau molekulnya teroksida, elektron(-elektron) kemudiannya mesti dihantar ke molekul lain. Molekul memperoleh elektron dikatakan dikurangkan. *** Reaksi pengoksidaan dan pengurangan adalah selalu berpasangan dalam apa yang dikenali sebagai an tindak balas pengoksidaan-penurunan (juga disebut reaksi merah / lembu). ****

Dalam Bis2A kami mengharapkan anda menjadi biasa dengan istilah ini. Cuba belajar dan belajar menggunakannya secepat mungkin - kami akan menggunakan istilah dengan kerap dan tidak akan mempunyai masa untuk mentakrifkannya setiap kali.

Ingat Definisi:

Separuh Reaksi

Untuk memformalkan pemahaman umum kita mengenai reaksi merah / lembu, kita memperkenalkan konsep reaksi separuh. Dua reaksi separuh diperlukan untuk membuat reaksi merah / lembu penuh. Setiap separuh tindak balas boleh dianggap sebagai penerangan tentang apa yang berlaku kepada salah satu daripada dua molekul yang terlibat dalam tindak balas merah/lembu. Ini digambarkan di bawah. Dalam contoh ini sebatian AH sedang dioksidakan oleh sebatian B+; elektron bergerak dari AH ke B+ untuk menghasilkan A+ dan BH. Setiap tindak balas boleh dianggap sebagai dua reaksi setengah: Di mana AH dioksidakan dan reaksi kedua di mana B+ dikurangkan menjadi BH. Kedua-dua reaksi ini dipertimbangkan berpasangan, istilah yang menunjukkan bahawa kedua-dua tindak balas ini berlaku bersama-sama, pada masa yang sama.

Gambar 2. Tindak balas merah / lembu generik di mana sebatian AH dioksidakan oleh sebatian B+. Setiap separuh tindak balas mewakili satu spesies atau sebatian untuk sama ada kehilangan atau memperoleh elektron (dan proton seterusnya seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas). Dalam separuh tindak balas #1 AH kehilangan proton dan 2 elektron: dalam tindak balas separuh kedua, B+ memperoleh 2 elektron dan satu proton. Dalam contoh ini HA dioksidakan kepada A+ sementara B+ dikurangkan kepada BH.

Kemungkinan perbincangan

Sekiranya anda mempertimbangkan tindak balas merah / lembu generik dan merenungkan kembali ceramah termodinamik, faktor apa yang akan menentukan sama ada reaksi merah / lembu akan "pergi" ke arah tertentu secara spontan dan apa yang dapat menentukan kadarnya?

Potensi Pengurangan

Secara konvensional, kami menganalisis dan menerangkan reaksi merah / lembu berkenaan dengan potensi pengurangan, istilah yang secara kuantitatif menggambarkan "kemampuan" sebatian untuk mendapatkan elektron. Nilai potensi pengurangan ini ditentukan secara eksperimen tetapi untuk tujuan kursus ini kami menganggap bahawa pembaca akan menerima bahawa nilai yang dilaporkan adalah betul. Kita dapat menganalisis potensi pengurangan dengan mengatakan bahawa ia berkaitan dengan kekuatan yang mana sebatian dapat "menarik" atau "menarik" atau "menangkap" elektron. Tidak menghairankan ini berkaitan dengan tetapi tidak serupa dengan elektronegativiti.

Apakah sifat intrinsik ini untuk menarik elektron?

Sebatian yang berbeza, berdasarkan struktur dan komposisi atomnya mempunyai daya tarikan intrinsik dan berbeza untuk elektron. Kualiti ini disebut potensi pengurangan atau E0'dan merupakan kuantiti relatif (relatif jika dibandingkan dengan beberapa “standard”Reaksi). Sekiranya sebatian ujian mempunyai "tarikan" yang lebih kuat terhadap elektron daripada piawai (jika kedua-duanya bersaing, sebatian ujian akan "mengambil" elektron dari sebatian piawai), kita mengatakan bahawa sebatian ujian mempunyai potensi pengurangan positif yang besarnya berkadar dengan berapa banyak yang "dikehendaki" elektronnya daripada sebatian piawai. Kekuatan relatif sebatian berbanding dengan piawaian diukur dan dilaporkan dalam unit Voltan (V)(kadangkala ditulis sebagai volt elektron atau eV) atau milliVolts (mV). Sebatian rujukan dalam kebanyakan menara merah/lembu ialah H2.

Kemungkinan perbincangan

Reprasa untuk diri sendiri: Bagaimana anda menerangkan atau memikirkan perbezaan antara konsep elektronegativiti dan potensi merah / lembu?

Menara Merah / lembu

Semua jenis sebatian boleh mengambil bahagian dalam tindak balas merah / lembu. Sebuah alat telah dikembangkan untuk menjabarkan tindak balas separuh merah / lembu secara grafik berdasarkan E mereka0' nilai dan untuk membantu kita meramalkan arah aliran elektron antara penderma dan akseptor elektron yang berpotensi. Sama ada sebatian tertentu boleh bertindak sebagai penderma elektron (reduktor) atau akseptor elektron (oksidan) sangat bergantung pada sebatian lain yang berinteraksi dengannya. Menara elektron biasanya mempunyai pelbagai sebatian biasa (separuh tindak balas mereka) dari kebanyakan E negatif0', sebatian yang mudah menyingkirkan elektron, menjadi E yang paling positif0', sebatian yang berkemungkinan besar menerima elektron. Sebagai tambahan, setiap tindak balas separuh ditulis dengan konvensyen dengan bentuk teroksidasi di sebelah kiri / diikuti dengan bentuk berkurang di sebelah kanan garis miring.
Contohnya reaksi separuh untuk pengurangan NAD+ kepada NADH ditulis:
NAD+/ NADH. Dalam menara di bawah, bilangan elektron yang dipindahkan juga disenaraikan. Contohnya pengurangan NAD+ ke NADH melibatkan dua elektron, ditulis dalam jadual sebagai 2e-.

Menara elektron ditunjukkan di bawah.

bentuk teroksida

bentuk dikurangkan

n (elektron)

Eo´ (voltan)

PS1* (lembu)

PS1* (merah)

-

-1.20

Asetat + CO2

piruvat

2

-0.7

ferredoksin (lembu) versi 1

feredoxin (merah) versi 1

1

-0.7

suksinat + CO2 + 2H+

a-ketoglutarat + H2O

2

-0.67

PSII* (lembu)

PSII* (merah)

-

-0.67

P840* (lembu)

PS840 * (merah)

-

-0.67

asetat

asetaldehid

2

-0.6

gliserat-3-P

gliseraldehid-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

ferredoksin (lembu) versi 2

ferredoxin (merah) versi 2

1

-0.43

CO2

glukosa

24

-0.43

CO2

formate

2

-0.42

2H +

H2

2

-0.42

α-ketoglutarate + CO2 + 2H+

isositrat

2

-0.38

asetatasetat

b-hidroksibutirat

2

-0.35

Cystine

sistein

2

-0.34

Piruvat + CO2

malate

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Kompleks I FMN (terikat enzim)

FMNH2

2

-0.3

Asid lipoik, (lembu)

Asid lipoik, (merah)

2

-0.29

1,3 bisphosphoglycerate + 2H+

gliseraldehid-3-P + Pi

2

-0.29

Glutathione, (lembu)

Glutathione, (merah)

2

-0.23

FAD+ (percuma) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Asetaldehid + 2H+

etanol

2

-0.2

Piruvat + 2H+

laktat

2

-0.19

Oksalasetat + 2H+

malate

2

-0.17

α-ketoglutarate + NH4+

glutamat

2

-0.14

FAD+ + 2H+ (terikat)

FADH2 (terikat)

2

0.003-0.09

Biru metilena, (lembu)

biru metilena, (merah)

2

0.01

Fumarat + 2H+

berjaya

2

0.03

CoQ (Ubiquinone - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Asid dehidroaskorbik

asid askorbik

2

0.06

Plastoquinon; (lembu)

Plastoquinone; (merah)

-

0.08

Ubiquinone; (lembu)

Ubiquinone; (merah)

2

0.1

Kompleks III Sitokrom b2; Fe3+

Sitokrom b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Kompleks III Sitokrom c1; Fe3+

Sitokrom c1; Fe2+

1

0.22

Sitokrom c; Fe3+

Sitokrom c; Fe2+

1

0.25

Kompleks IV Cytochrome a; Fe3+

Cytochrome a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (lembu)

PS840GS (merah)

-

0.33

Kompleks IV Sitokrom a3; Fe3+

Sitokrom a3; Fe2+

1

0.35

Ferricyanide

ferosianida

2

0.36

Sitokrom f; Fe3+

Sitokrom f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (lembu)

PSIGS (merah)

.

0.37

Nitrat

nitrit

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (lembu)

PSIIGS (merah)

-

1.10

* Keadaan Teruja, selepas menyerap foton cahaya

GS Ground State, nyatakan sebelum menyerap foton cahaya

PS1: Sistem fotosigenik I

P840: Pusat tindak balas bakteria yang mengandungi bacteriochlorophyll (anoksigenik)

PSII: Fotosistem oksigen II

Jadual 1. Menara Merah/lembu biasa digunakan dalam Bis2A. Secara konvensional, reaksi separuh menara ditulis dengan bentuk sebatian teroksidasi di sebelah kiri dan bentuk yang dikurangkan di sebelah kanan. Sebatian yang menjadikan penderma elektron yang baik mempunyai potensi pengurangan yang sangat negatif. Sebatian seperti Glukosa dan gas Hidrogen adalah penderma elektron yang sangat baik. Sebaliknya sebatian yang menjadikan penerima elektron yang sangat baik, seperti Oksigen dan Nitrit.

Video mengenai menara elektron

Untuk video pendek tentang cara menggunakan menara elektron dalam masalah merah/lembu, klik di sini atau di bawah. Video ini dibuat oleh Dr Easlon untuk pelajar Bis2A. (Ini agak bermaklumat.)

Apakah hubungan antara ΔE0' dan ΔG?

Persoalannya kini menjadi: bagaimana kita tahu jika mana-mana tindak balas merah/lembu yang diberikan adalah spontan atau tidak (eksergonik atau endergonik) dan tanpa mengira arah, apakah perbezaan tenaga bebas itu? Jawapannya terletak pada perbezaan potensi penurunan kedua-dua sebatian. Perbezaan potensi pengurangan tindak balas atau E0 ' untuk tindak balas, ialah perbezaan antara E0' untuk pengoksida (sebatian yang mendapatkan elektron dan menyebabkan pengoksidaan sebatian lain) dan pengurangan (sebatian kehilangan elektron). Dalam contoh generik kami di bawah, AH ialah reduktor dan B+ adalah pengoksidaan. Elektron bergerak dari AH ke B+. Menggunakan E0' daripada -0.32 untuk reduktor dan +0.82 untuk oksidan jumlah perubahan dalam E0' atau ΔE0 ' ialah 1.14 eV.

Rajah 3. Tindak balas merah / lembu generik dengan separuh tindak balas ditulis dengan potensi pengurangan (E0') daripada dua reaksi yang ditunjukkan.

Perubahan dalam ΔE0' berkait dengan perubahan dalam Tenaga bebas Gibbs, ΔG. Secara umum ΔE positif yang besar0' berkadar dengan ΔG negatif yang besar. Reaksi adalah eksergonik dan spontan. Untuk tindak balas menjadi eksergonik tindak balas perlu mempunyai perubahan negatif dalam tenaga bebas atau -ΔG, ini akan sepadan dengan positif ΔE0'. Dalam erti kata lain, apabila elektron mengalir "menuruni bukit" dalam tindak balas merah/lembu daripada sebatian dengan potensi pengurangan yang lebih rendah (lebih negatif) kepada sebatian kedua dengan potensi pengurangan yang lebih besar (lebih positif), mereka membebaskan tenaga bebas. Semakin besar voltan, E0', antara kedua-dua komponen, semakin besar tenaga yang ada apabila berlaku aliran elektron. Sebenarnya, mungkin untuk mengukur jumlah tenaga bebas yang ada. Hubungan diberikan oleh persamaan Nernst:

Gambar 4. Persamaan Nernst mengaitkan tenaga bebas tindak balas merah / lembu dengan perbezaan potensi pengurangan antara produk tindak balas yang dikurangkan dan reaktan teroksidasi.
Atribusi: Marc T. Facciotti

Di mana:

  • n ialah bilangan mol elektron yang dipindahkan
  • F ialah pemalar Faraday 96.485 kJ/V. Kadang-kadang ia diberikan dalam satuan kcal / V yaitu 23,062 kcal / V, yang merupakan jumlah tenaga (dalam kJ atau kcal) yang dilepaskan apabila satu mol elektron melewati penurunan potensi 1 volt.

Catatan

Yang harus anda perhatikan ialah ΔG dan ΔE mempunyai hubungan terbalik: Apabila ΔG positif, ΔE negatif dan ketika ΔG negatif, ΔE positif. Untuk semakan tambahan lihat perbincangan merah/lembu dalam Manual Perbincangan Bis2A.