Biologia I

Biologia I

Wyobraźmy sobie, że jesteś komórką. Właśnie dostałeś dużą, soczystą cząsteczkę glukozy i chciałbyś przekształcić część energii zawartej w tej cząsteczce glukozy w bardziej użyteczną formę, taką, której możesz użyć do zasilania swoich reakcji metabolicznych. Jak możesz to zrobić? Jaki jest najlepszy sposób na wyciśnięcie jak największej ilości energii z cząsteczki glukozy i przechwycenie jej w poręcznej formie?

Na szczęście dla nas, nasze komórki i komórki innych żywych organizmów są doskonałe w pozyskiwaniu energii z glukozy i innych cząsteczek organicznych, takich jak tłuszcze i aminokwasy.) Tutaj przyjrzymy się reakcjom przenoszenia elektronów (reakcjom redoks), które są kluczowe dla tego procesu.

Reakcje redoks

Oddychanie komórkowe obejmuje wiele reakcji, w których elektrony są przekazywane z jednej cząsteczki do drugiej. Reakcje obejmujące przeniesienie elektronów są znane jako reakcje utleniania-redukcji (lub reakcje redoks) i odgrywają główną rolę w metabolizmie komórki. W reakcji redoks, jedna z reagujących cząsteczek traci elektrony i mówi się, że jest utleniona, podczas gdy inna reagująca cząsteczka zyskuje elektrony (te utracone przez pierwszą cząsteczkę) i mówi się, że jest zredukowana. Możesz zapamiętać, co oznaczają utlenianie i redukcja za pomocą poręcznej mnemotechniki „OIL RIG: Utlenianie to utrata elektronów; Redukcja to zyskiwanie elektronów.

Energia w reakcjach redoks

W reakcjach redoks, energia jest uwalniana, gdy elektron traci energię potencjalną w wyniku transferu. Elektrony mają więcej energii potencjalnej, gdy są związane z mniej elektronegatywnymi atomami (takimi jak C lub H), a mniej energii potencjalnej, gdy są związane z bardziej elektronegatywnym atomem (takim jak O). Tak więc, reakcja redoks, która przenosi elektrony lub gęstość elektronową z mniej do bardziej elektronegatywnego atomu będzie spontaniczna i uwolni energię. Na przykład, spalanie butanu (C4H10) uwalnia energię, ponieważ następuje przesunięcie netto gęstości elektronów z węgla i wodoru na tlen. Jeśli słyszałeś, że cząsteczki takie jak glukoza mają „wysokoenergetyczne” elektrony, to jest to odniesienie do stosunkowo wysokiej energii potencjalnej elektronów w ich wiązaniach \tekst{C}- i \tekst{C}- -H}.

Całkiem sporo energii może być uwolnione, gdy elektrony w wiązaniach \tekst{C}- i \tekst{C}- -H} są przesunięte do tlenu. W komórce jednak nie jest dobrym pomysłem uwalnianie całej tej energii na raz w reakcji spalania. Zamiast tego, komórki pozyskują energię z glukozy w kontrolowany sposób, przechwytując jak najwięcej z niej w postaci ATP. Osiąga się to poprzez stopniowe utlenianie glukozy, a nie w sposób wybuchowy. Istnieją dwa ważne sposoby, w jaki to utlenianie jest stopniowe:

• Raczej niż ściąganie wszystkich elektronów z glukozy w tym samym czasie, oddychanie komórkowe pozbawia je par. Reakcje redoks, które usuwają pary elektronów z glukozy, przenoszą je na małe cząsteczki zwane nośnikami elektronów.
• Nośniki elektronów składają swoje elektrony w łańcuchu transportu elektronów, serii białek i cząsteczek organicznych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Elektrony są przekazywane z jednego składnika do następnego w serii kroków uwalniających energię, co pozwala na przechwytywanie energii w postaci gradientu elektrochemicznego.

Spojrzymy na oba nośniki redoks i łańcuch transportu elektronów bardziej szczegółowo poniżej.

Usunięcie elektronu z cząsteczki, utlenienie jej, powoduje spadek energii potencjalnej w utlenionym związku. Elektron (czasami jako część atomu wodoru), nie pozostaje niezwiązany, jednakże, w cytoplazmie komórki. Raczej, elektron jest przesunięty do drugiego związku, redukując ten drugi związek. Przesunięcie elektronu z jednego związku do drugiego powoduje usunięcie części energii potencjalnej z pierwszego związku (związku utlenionego) i zwiększenie energii potencjalnej drugiego związku (związku zredukowanego). Przenoszenie elektronów pomiędzy cząsteczkami jest ważne, ponieważ większość energii przechowywanej w atomach i wykorzystywanej do funkcji ogniw paliwowych jest w formie wysokoenergetycznych elektronów. Przekazywanie energii w formie elektronów pozwala ogniwu na przekazywanie i wykorzystywanie energii w sposób przyrostowy – w małych pakietach, a nie w pojedynczym, niszczącym wybuchu. Ten rozdział skupia się na pozyskiwaniu energii z pożywienia; zobaczysz, że śledząc ścieżkę transferów, śledzisz ścieżkę elektronów poruszających się przez szlaki metaboliczne.

Nośniki elektronów

Nośniki elektronów, czasami nazywane czółenkami elektronowymi, są małymi cząsteczkami organicznymi, które łatwo przechodzą między formami utlenionymi i zredukowanymi i są używane do transportu elektronów podczas reakcji metabolicznych. Istnieją dwa nośniki elektronów, które odgrywają szczególnie ważną rolę podczas oddychania komórkowego: NAD+ (dinukleotyd nikotynamidowo-adeninowy, przedstawiony poniżej) i FAD (dinukleotyd flawinowo-adeninowy). Zarówno NAD+ jak i FAD mogą służyć jako utleniacze, przyjmując parę elektronów wraz z jednym lub większą liczbą protonów, aby przejść do swoich zredukowanych form. NAD+ start superscript, plus, koniec superscript przyjmuje dwa elektrony i jeden H+, aby stać się NADH, podczas gdy FAD przyjmuje dwa elektrony i dwa H+, aby stać się FADH2. NAD+ jest podstawowym nośnikiem elektronów używanym podczas oddychania komórkowego, z FAD uczestniczącym tylko w jednej (lub dwóch czasami dwóch) reakcjach.

Jak pokazano na powyższym obrazku, NAD+ jest małą cząsteczką organiczną, której struktura obejmuje nukleotyd RNA – adeninę. (FAD jest podobnym typem cząsteczki, chociaż jego grupy funkcyjne są inne). Obie cząsteczki są pochodnymi witamin z grupy B, przy czym NAD+ jest wytwarzany z niacyny, a FAD z ryboflawiny. NAD+ i FAD są koenzymami, organicznymi cząsteczkami, które służą jako pomocnicy w reakcjach katalizowanych przez enzymy, i otrzymują elektrony i protony jako część tych reakcji. W szczególności, zarówno NAD+ start superscript, plus, end superscript, jak i FAD służą jako kofaktory dla enzymów zwanych dehydrogenazami, które usuwają jeden lub więcej atomów wodoru ze swoich substratów.

Przegląd ścieżek rozkładu paliwa

Reakcje, które pozwalają na wydobycie energii z cząsteczek takich jak glukoza, tłuszcze i aminokwasy są nazywane reakcjami katabolicznymi, co oznacza, że obejmują one rozbicie większej cząsteczki na mniejsze części. Na przykład, kiedy glukoza jest rozkładana w obecności tlenu, jest przekształcana w sześć cząsteczek dwutlenku węgla i sześć cząsteczek wody. Ogólną reakcję tego procesu można zapisać jako:

C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + ciepło + ATP

Reakcja ta, tak jak ją zapisano, jest po prostu reakcją spalania, podobną do tej, która zachodzi, gdy spalamy kawałek drewna w kominku lub benzynę w silniku. Czy to oznacza, że glukoza nieustannie spala się wewnątrz Twoich komórek? Na szczęście, nie do końca! Reakcja spalania opisuje ogólny proces, który ma miejsce, ale wewnątrz komórki proces ten jest rozbity na wiele mniejszych kroków. Energia zawarta w wiązaniach glukozy jest uwalniana podczas reakcji glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego (Krebsa). Pary elektronowe są więc usuwane z cząsteczki glukozy (utlenianie) i dodawane do NAD lub FAD (redukcja), aby mogły być wykorzystane w następnej reakcji opisanej poniżej.

Łańcuch transportu elektronów

W swoich zredukowanych formach, NADH i FADH2 przenoszą elektrony do łańcucha transportu elektronów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Deponują one swoje elektrony na początku lub w pobliżu początku łańcucha transportowego, a elektrony są następnie przekazywane z jednego białka lub cząsteczki organicznej do następnego w przewidywalnej serii kroków. Co ważne, ruch elektronów w łańcuchu transportowym odbywa się energetycznie „z góry na dół”, co oznacza, że energia jest uwalniana na każdym etapie. W kategoriach redoks oznacza to, że każdy uczestnik łańcucha transportu elektronów jest bardziej elektroujemny (żądny elektronów) niż poprzedni i mniej elektroujemny niż następny. NAD+, który odkłada swoje elektrony na początku łańcucha jako NADH, jest najmniej elektroujemny, podczas gdy tlen, który otrzymuje elektrony na końcu łańcucha (wraz z H+), tworząc wodę, jest najbardziej elektroujemny. Gdy elektrony wędrują „w dół” łańcucha transportowego, uwalniają energię, a część tej energii jest przechwytywana w postaci gradientu elektrochemicznego i wykorzystywana do produkcji ATP. Jednakże, duża część energii z glukozy jest nadal tracona jako ciepło,

Możemy to potwierdzić, jeśli spojrzymy na rzeczywiste przesunięcia elektronów zaangażowanych, jak w poniższym filmie:

.