Biologi I
Föreställ dig att du är en cell. Du har just fått en stor, saftig glukosmolekyl, och du skulle vilja omvandla en del av energin i denna glukosmolekyl till en mer användbar form, en form som du kan använda för att driva dina metaboliska reaktioner. Hur kan du göra detta? Vilket är det bästa sättet för dig att pressa ut så mycket energi som möjligt ur denna glukosmolekyl och fånga upp denna energi i en behändig form?
Troligtvis för oss är våra celler – och cellerna i andra levande organismer – utmärkta på att skörda energi från glukos och andra organiska molekyler, t.ex. fetter och aminosyror). Här ska vi titta på de elektronöverföringsreaktioner (redoxreaktioner) som är nyckeln till denna process.
Redoxreaktioner
Cellulär andning inbegriper många reaktioner där elektroner överförs från en molekyl till en annan. Reaktioner som involverar elektronöverföring kallas oxidations-reduktionsreaktioner (eller redoxreaktioner), och de spelar en central roll i cellens ämnesomsättning. I en redoxreaktion förlorar en av de reagerande molekylerna elektroner och sägs vara oxiderad, medan en annan reagerande molekyl får elektroner (de som den första molekylen förlorat) och sägs vara reducerad. Du kan komma ihåg vad oxidation och reduktion innebär med den praktiska minnesanteckningen ”OIL RIG: Oxidation Is Losing electrons; Reduction Is Gaining electrons.”
Energi i redoxreaktioner
Klicka på bilden för en större bild. Bilden är baserad på liknande diagram av Ryan Gutierrez.
I redoxreaktioner frigörs energi när en elektron förlorar potentiell energi till följd av överföringen. Elektroner har mer potentiell energi när de är associerade med mindre elektronegativa atomer (t.ex. C eller H) och mindre potentiell energi när de är associerade med en mer elektronegativ atom (t.ex. O). En redoxreaktion som flyttar elektroner eller elektrontäthet från en mindre elektronegativ atom till en mer elektronegativ atom kommer därför att vara spontan och frigöra energi. Exempelvis frigörs energi vid förbränning av butan (C4H10) eftersom det sker en nettoförflyttning av elektrontätheten från kol och väte till syre. Om du har hört att molekyler som glukos har ”högenergiska” elektroner är detta en hänvisning till den relativt höga potentiella energin hos elektronerna i deras \text{C}-\text{C}\\\ och \text{C}-\text{H}-bindningar.
En hel del energi kan frigöras när elektroner i \text{C}-\text{C}-\text{C}- och \text{C}-\text{H}-bindningar förflyttas till syre. I en cell är det dock ingen bra idé att frigöra all denna energi på en gång i en förbränningsreaktion. I stället skördar cellerna energi från glukos på ett kontrollerat sätt och fångar upp så mycket som möjligt av den i form av ATP. Detta åstadkoms genom att oxidera glukos på ett gradvis, snarare än explosivt, sätt. Det finns två viktiga sätt på vilka denna oxidation är gradvis:
- Istället för att dra bort alla elektroner från glukos på en och samma gång, drar cellandning bort dem parvis. Redoxreaktionerna som tar bort elektronpar från glukos överför dem till små molekyler som kallas elektronbärare.
- Elektronbärarna deponerar sina elektroner i elektrontransportkedjan, en serie proteiner och organiska molekyler i mitokondriernas inre membran. Elektronerna passerar från en komponent till nästa i en serie energilösande steg, vilket gör det möjligt att fånga energi i form av en elektrokemisk gradient.
Vi kommer att titta närmare på både redoxbärare och elektrontransportkedjan nedan.
Fråntagandet av en elektron från en molekyl, oxidering av den, resulterar i en minskning av den potentiella energin i den oxiderade föreningen. Elektronen (ibland som en del av en väteatom), förblir dock inte obunden i cellens cytoplasma. Elektronen flyttas snarare till en annan förening, vilket reducerar den andra föreningen. Förflyttningen av en elektron från en förening till en annan tar bort en del potentiell energi från den första föreningen (den oxiderade föreningen) och ökar den potentiella energin hos den andra föreningen (den reducerade föreningen). Överföringen av elektroner mellan molekyler är viktig eftersom merparten av den energi som lagras i atomer och som används för bränslecellsfunktioner är i form av högenergielektroner. Överföringen av energi i form av elektroner gör det möjligt för cellen att överföra och använda energi på ett stegvis sätt – i små paket snarare än i en enda, destruktiv explosion. Det här kapitlet fokuserar på utvinning av energi från mat; du kommer att se att när du följer överföringarnas väg, följer du vägen för elektroner som rör sig genom metaboliska vägar.
Elektronbärare
Elektronbärare, som ibland kallas för elektronskyttlar, är små organiska molekyler som lätt cyklar mellan oxiderade och reducerade former och som används för att transportera elektroner under metaboliska reaktioner. Det finns två elektronbärare som spelar särskilt viktiga roller under cellandning: NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid, visas nedan) och FAD (flavinadenindinukleotid). Både NAD+ och FAD kan fungera som oxidationsmedel och ta emot ett par elektroner tillsammans med en eller flera protoner för att övergå till sin reducerade form. NAD+ start superscript, plus, end superscript tar emot två elektroner och en H+ för att bli NADH, medan FAD tar emot två elektroner och två H+ för att bli FADH2. NAD+ är den primära elektronbäraren som används under cellandning, medan FAD endast deltar i en (eller två ibland två) reaktioner.
Den oxiderade formen av elektronbäraren (NAD+) visas till vänster och den reducerade formen (NADH) visas till höger. Kvävebasen i NADH har en mer vätejon och två fler elektroner än i NAD+.
Som framgår av bilden ovan är NAD+ en liten organisk molekyl vars struktur innehåller RNA-nukleoiden adenin. (FAD är en liknande typ av molekyl, även om dess funktionella grupper är olika). Båda molekylerna är B-vitaminderivat, där NAD+ produceras från niacin och FAD produceras från riboflavin. NAD+ och FAD är koenzymer, organiska molekyler som fungerar som hjälpmedel under enzymkatalyserade reaktioner, och de får elektroner och protoner som en del av dessa reaktioner. Specifikt tjänar både NAD+ start superscript, plus, end superscript och FAD som kofaktorer för enzymer som kallas dehydrogenaser, som tar bort en eller flera väteatomer från sina substrat.
Översikt över bränslets nedbrytningsvägar
Reaktionerna som gör det möjligt att utvinna energi från molekyler som glukos, fetter och aminosyror kallas för kataboliska reaktioner, vilket innebär att de innebär att man bryter ner en större molekyl i mindre delar. När till exempel glukos bryts ner i närvaro av syre omvandlas det till sex koldioxidmolekyler och sex vattenmolekyler. Den övergripande reaktionen för denna process kan skrivas som:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + värme + ATP
Denna reaktion, som den är skriven, är helt enkelt en förbränningsreaktion, som liknar det som sker när man förbränner en vedbit i en öppen spis eller bensin i en motor. Betyder detta att glukos ständigt förbränns inne i dina celler? Tack och lov inte riktigt! Förbränningsreaktionen beskriver den övergripande process som äger rum, men inne i en cell bryts denna process ner i många mindre steg. Energin som finns i bindningarna i glukos frigörs under reaktionerna glykolys och citronsyracykeln (Krebs) Så elektronpar avlägsnas från glukosmolekylen (oxidation) och läggs till antingen NAD eller FAD (reduktion) för att användas i nästa reaktion som beskrivs nedan.
Elektrontransportkedjan
I sina reducerade former transporterar NADH och FADH2 elektroner till elektrontransportkedjan i det inre mitokondriella membranet. De deponerar sina elektroner vid eller nära transportkedjans början, och elektronerna förs sedan vidare från ett protein eller en organisk molekyl till nästa i en förutsägbar serie steg. Det är viktigt att elektronernas rörelse genom transportkedjan är energimässigt ”nedåtgående”, vilket innebär att energi frigörs vid varje steg. I redoxtermer innebär detta att varje led i elektrontransportkedjan är mer elektronegativ (elektronhungrig) än det föregående och mindre elektronegativ än det efterföljande. NAD+, som deponerar sina elektroner i början av kedjan som NADH, är den minst elektronegativa, medan syre, som tar emot elektronerna i slutet av kedjan (tillsammans med H+) för att bilda vatten, är den mest elektronegativa. När elektronerna trillar ”nedåt” genom transportkedjan frigör de energi, och en del av denna energi fångas upp i form av en elektrokemisk gradient och används för att bilda ATP. En stor del av energin från glukos går dock fortfarande förlorad som värme,
Vi kan bekräfta detta om vi tittar på de faktiska elektronförskjutningar som är inblandade, som i videon nedan:
.