Biologie I
Stellen wir uns vor, du bist eine Zelle. Du hast gerade ein großes, saftiges Glukosemolekül erhalten und würdest gerne einen Teil der Energie dieses Glukosemoleküls in eine besser verwertbare Form umwandeln, die du für deine Stoffwechselreaktionen nutzen kannst. Wie können Sie das anstellen? Wie können Sie am besten so viel Energie wie möglich aus dem Glukosemolekül herausholen und diese Energie in einer handlichen Form festhalten?
Glücklicherweise sind unsere Zellen – und die anderer lebender Organismen – hervorragend in der Lage, Energie aus Glukose und anderen organischen Molekülen, wie Fetten und Aminosäuren, zu gewinnen.) Im Folgenden werden wir uns die Elektronenübertragungsreaktionen (Redoxreaktionen) ansehen, die für diesen Prozess entscheidend sind.
Redoxreaktionen
Die Zellatmung umfasst viele Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen werden. Reaktionen mit Elektronenübertragungen werden als Oxidations-Reduktions-Reaktionen (oder Redox-Reaktionen) bezeichnet und spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel einer Zelle. Bei einer Redoxreaktion verliert eines der reagierenden Moleküle Elektronen und wird als oxidiert bezeichnet, während ein anderes reagierendes Molekül Elektronen gewinnt (die vom ersten Molekül verlorenen) und als reduziert bezeichnet wird. Sie können sich die Bedeutung von Oxidation und Reduktion mit der praktischen Eselsbrücke „OIL RIG: Oxidation ist der Verlust von Elektronen; Reduktion ist die Gewinnung von Elektronen“ merken.
Energie in Redoxreaktionen
Klicken Sie auf das Bild, um eine größere Ansicht zu erhalten. Das Bild basiert auf einem ähnlichen Diagramm von Ryan Gutierrez.
In Redoxreaktionen wird Energie freigesetzt, wenn ein Elektron durch die Übertragung potenzielle Energie verliert. Elektronen haben mehr potenzielle Energie, wenn sie mit weniger elektronegativen Atomen (wie C oder H) verbunden sind, und weniger potenzielle Energie, wenn sie mit einem elektronegativen Atom (wie O) verbunden sind. Eine Redoxreaktion, bei der Elektronen oder die Elektronendichte von einem weniger elektronegativen zu einem stärker elektronegativen Atom verschoben werden, ist also spontan und setzt Energie frei. So wird beispielsweise bei der Verbrennung von Butan (C4H10) Energie freigesetzt, weil sich die Elektronendichte von Kohlenstoff und Wasserstoff auf Sauerstoff verlagert. Wenn man sagt, dass Moleküle wie Glukose „hochenergetische“ Elektronen haben, bezieht sich das auf die relativ hohe potenzielle Energie der Elektronen in ihren \text{C}-\text{C}\- und \text{C}-\text{H}-Bindungen.
Eine ganze Menge Energie kann freigesetzt werden, wenn Elektronen in \text{C}-\text{C}- und \text{C}-\text{H}-Bindungen zu Sauerstoff verschoben werden. In einer Zelle ist es jedoch keine gute Idee, all diese Energie auf einmal in einer Verbrennungsreaktion freizusetzen. Stattdessen gewinnen die Zellen die Energie aus der Glukose auf kontrollierte Weise und fangen so viel wie möglich davon in Form von ATP auf. Dies wird erreicht, indem die Glukose nicht explosionsartig, sondern allmählich oxidiert wird. Diese Oxidation erfolgt auf zwei wichtige Arten:
- Anstatt der Glukose alle Elektronen auf einmal zu entziehen, werden sie bei der Zellatmung paarweise abgezogen. Die Redoxreaktionen, die der Glukose Elektronenpaare entziehen, übertragen sie auf kleine Moleküle, die Elektronenträger genannt werden.
- Die Elektronenträger geben ihre Elektronen in der Elektronentransportkette ab, einer Reihe von Proteinen und organischen Molekülen in der inneren Mitochondrienmembran. Die Elektronen werden in einer Reihe von energiefreisetzenden Schritten von einer Komponente zur nächsten weitergegeben, so dass Energie in Form eines elektrochemischen Gradienten eingefangen werden kann.
Wir werden im Folgenden sowohl die Redox-Träger als auch die Elektronentransportkette genauer betrachten.
Der Entzug eines Elektrons aus einem Molekül, die Oxidation, führt zu einer Abnahme der potenziellen Energie in der oxidierten Verbindung. Das Elektron (manchmal als Teil eines Wasserstoffatoms) bleibt jedoch nicht ungebunden im Zytoplasma einer Zelle. Vielmehr wird das Elektron zu einer zweiten Verbindung verschoben, wodurch die zweite Verbindung reduziert wird. Durch die Verschiebung eines Elektrons von einer Verbindung zu einer anderen wird der ersten Verbindung (der oxidierten Verbindung) etwas potenzielle Energie entzogen und die potenzielle Energie der zweiten Verbindung (der reduzierten Verbindung) erhöht. Die Übertragung von Elektronen zwischen Molekülen ist wichtig, weil die meiste in Atomen gespeicherte und für die Brennstoffzellenfunktionen verwendete Energie in Form von energiereichen Elektronen vorliegt. Die Energieübertragung in Form von Elektronen ermöglicht es der Zelle, Energie schrittweise zu übertragen und zu nutzen – in kleinen Paketen und nicht in einem einzigen, zerstörerischen Stoß. Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Gewinnung von Energie aus der Nahrung; Sie werden sehen, dass Sie, wenn Sie den Weg der Übertragungen verfolgen, auch den Weg der Elektronen verfolgen, die sich durch die Stoffwechselwege bewegen.
Elektronenträger
Elektronenträger, manchmal auch Elektronen-Shuttles genannt, sind kleine organische Moleküle, die leicht zwischen oxidierten und reduzierten Formen wechseln und zum Transport von Elektronen während der Stoffwechselreaktionen verwendet werden. Es gibt zwei Elektronenträger, die bei der Zellatmung eine besonders wichtige Rolle spielen: NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid, siehe unten) und FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid). Sowohl NAD+ als auch FAD können als Oxidationsmittel dienen, indem sie ein Elektronenpaar zusammen mit einem oder mehreren Protonen aufnehmen, um in ihre reduzierte Form überzugehen. NAD+, hochgestellt am Anfang, plus, hochgestellt am Ende, nimmt zwei Elektronen und ein H+ auf und wird zu NADH, während FAD zwei Elektronen und zwei H+ aufnimmt und zu FADH2 wird. NAD+ ist der primäre Elektronenüberträger, der bei der Zellatmung verwendet wird, während FAD nur an einer (oder manchmal zwei) Reaktionen beteiligt ist.
Die oxidierte Form des Elektronenüberträgers (NAD+) ist links und die reduzierte Form (NADH) rechts abgebildet. Die stickstoffhaltige Base in NADH hat ein Wasserstoffion mehr und zwei Elektronen mehr als in NAD+.
Wie in der obigen Abbildung gezeigt, ist NAD+ ein kleines organisches Molekül, dessen Struktur das RNA-Nukleotid Adenin enthält. (FAD ist eine ähnliche Art von Molekül, obwohl seine funktionellen Gruppen unterschiedlich sind.) Beide Moleküle sind B-Vitamin-Derivate, wobei NAD+ aus Niacin und FAD aus Riboflavin hergestellt wird. NAD+ und FAD sind Coenzyme, organische Moleküle, die als Helfer bei enzymkatalysierten Reaktionen dienen und im Rahmen dieser Reaktionen Elektronen und Protonen aufnehmen. Insbesondere dienen sowohl NAD+ hochgestellt am Anfang, plus, hochgestellt am Ende als auch FAD als Cofaktoren für Enzyme, die Dehydrogenasen genannt werden und die ein oder mehrere Wasserstoffatome aus ihren Substraten entfernen.
Übersicht über die Wege des Brennstoffabbaus
Die Reaktionen, die es ermöglichen, Energie aus Molekülen wie Glukose, Fetten und Aminosäuren zu gewinnen, werden als katabole Reaktionen bezeichnet, was bedeutet, dass sie die Zerlegung eines größeren Moleküls in kleinere Teile beinhalten. Wenn zum Beispiel Glukose in Gegenwart von Sauerstoff abgebaut wird, wird sie in sechs Kohlendioxidmoleküle und sechs Wassermoleküle umgewandelt. Die Gesamtreaktion für diesen Prozess lässt sich wie folgt beschreiben:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + Wärme + ATP
Diese Reaktion ist, so wie sie beschrieben ist, einfach eine Verbrennungsreaktion, ähnlich wie bei der Verbrennung von Holz in einem Kamin oder von Benzin in einem Motor. Heißt das, dass die Glukose in Ihren Zellen ständig verbrennt? Zum Glück nicht ganz! Die Verbrennungsreaktion beschreibt den Gesamtprozess, der abläuft, aber innerhalb einer Zelle ist dieser Prozess in viele kleinere Schritte unterteilt. Die in den Bindungen der Glukose enthaltene Energie wird bei den Reaktionen der Glykolyse und des Zitronensäurezyklus (Krebs) freigesetzt. So werden Elektronenpaare aus dem Glukosemolekül entfernt (Oxidation) und entweder NAD oder FAD hinzugefügt (Reduktion), um in der nächsten, weiter unten beschriebenen Reaktion verwendet zu werden.
Die Elektronentransportkette
In ihrer reduzierten Form tragen NADH und FADH2 Elektronen zur Elektronentransportkette in der inneren Mitochondrienmembran. Sie deponieren ihre Elektronen am oder in der Nähe des Beginns der Transportkette, und die Elektronen werden dann in einer vorhersehbaren Reihe von Schritten von einem Protein oder organischen Molekül zum nächsten weitergereicht. Wichtig ist, dass die Bewegung der Elektronen durch die Transportkette energetisch „bergab“ verläuft, so dass bei jedem Schritt Energie freigesetzt wird. In Redox-Begriffen bedeutet dies, dass jedes Glied der Elektronentransportkette elektronegativer (elektronenhungriger) ist als das vorhergehende und weniger elektronegativ als das nachfolgende. NAD+, das seine Elektronen am Anfang der Kette als NADH abgibt, ist am wenigsten elektronegativ, während Sauerstoff, der die Elektronen am Ende der Kette (zusammen mit H+) erhält, um Wasser zu bilden, am elektronegativsten ist. Wenn die Elektronen durch die Transportkette „bergab“ rieseln, geben sie Energie ab, und ein Teil dieser Energie wird in Form eines elektrochemischen Gradienten aufgefangen und zur Herstellung von ATP verwendet. Ein großer Teil der Energie der Glukose geht jedoch immer noch als Wärme verloren,
Wir können dies bestätigen, wenn wir uns die tatsächlichen Elektronenverschiebungen ansehen, wie in dem folgenden Video: