معلومة

12: علم الطاقة وتفاعلات الأكسدة والاختزال - علم الأحياء

12: علم الطاقة وتفاعلات الأكسدة والاختزال - علم الأحياء



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.

الأيض يشير إلى مجموع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلية. الهدم هو تكسير الجزيئات العضوية وغير العضوية ، وتستخدم لإطلاق الطاقة واشتقاق الجزيئات التي يمكن استخدامها في التفاعلات الأخرى. بناء هو تخليق جزيئات أكثر تعقيدًا من جزيئات عضوية وغير عضوية أبسط ، الأمر الذي يتطلب طاقة.

علم الطاقة

في حين يتم فقدان بعض الطاقة كحرارة في التفاعلات الكيميائية ، فإن قياس الفائدة للخلايا هو مقدارها مجانا الطاقة (G)، أو الطاقة المتاحة للقيام بالعمل. تؤدي الخلايا ثلاثة أنواع مختلفة من العمل: عمل كيميائي (مثل الابتنائية) ، أعمال النقل (مثل امتصاص المغذيات) ، و عمل ميكانيكي (مثل دوران السوط).

عادةً ما يُشار إلى التغيير في الطاقة الحرة على أنه ΔG ° '، والتي تشير إلى التغيير في الطاقة الحرة في ظل الظروف القياسية لدرجة الحموضة 7 ، 25 درجة مئوية ، 1 ضغط جوي (المعروف أيضًا باسم معيار تغيير الطاقة الحرة). يشير التفاعل الذي يولد ΔG ° موجبة إلى أن التفاعل يتطلب طاقة وهو كذلك إندرجونيك في الطبيعة. يشير التفاعل الذي يولد ΔG ° سالبة إلى أن التفاعل يطلق طاقة وهو كذلك قوي في الطبيعة. تُطلق التفاعلات المفرطة الطاقة الطاقة التي يمكن أن تحفظها الخلية للقيام بعملها.

ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP)

أدينوسين ثلاثي الفوسفات أو ATP هو جزيء عالي الطاقة تستخدمه جميع الخلايا لعملات الطاقة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه يتبرع بسهولة بمجموعة الفوسفوريل لجزيئات أخرى. سيطلق التفاعل المفرط الطاقة ، مما يؤدي إلى تخليق ATP من إضافة جزيء الفوسفات (أورثوفوسفات أو صأنا) إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين أو ADP. سوف يقترن التفاعل المائي ، الذي يتطلب طاقة ، بالتحلل المائي لـ ATP إلى ADP + Pأنا، باستخدام الطاقة الصادرة لتحريك التفاعل.

الانزيمات

لكي يستمر التفاعل الكيميائي ، يجب كسر الروابط الكيميائية. الطاقة المطلوبة لكسر الروابط تسمى طاقة التفعيل. يمكن خفض كمية طاقة التنشيط التي تتطلبها الخلية بمساعدة a عامل حفاز، المواد التي تساعد على المضي قدما في رد الفعل دون أن تتغير نفسها من خلال التفاعل. تستخدم الخلايا محفزات البروتين المعروفة باسم الانزيمات.

طاقة التفعيل. بواسطة تم تحميله في الأصل بواسطة Jerry Crimson Mann ، فيكتور بواسطة Tutmosis ، تم التصحيح بواسطة Fvasconcellos (بالإنجليزية: Image: Activation2.png) [GFDL أو CC-BY-SA-3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

تفاعلات الأكسدة والاختزال

تحافظ الخلايا على الطاقة في شكل ATP عن طريق اقتران توليفها بإطلاق الطاقة عبر تفاعلات الأكسدة والاختزال (الأكسدة)، حيث يتم تمرير الإلكترونات من مانح الإلكترون إلى متقبل الإلكترون. تشير أكسدة الجزيء إلى فقدان إلكتروناته ، بينما يشير اختزال الجزيء إلى اكتسابه للإلكترونات. غالبًا ما يشير الكيميائيون العضويون إلى العملية بواسطة ذاكري تلاعب النفط: الأكسدة هي الخسارة ، والتخفيض هو الربح. يعمل الجزيء الذي يتأكسد كمانح للإلكترون ، بينما يعمل الجزيء الذي يتم تقليله كمستقبل للإلكترون. نظرًا لأن الإلكترونات تمثل الطاقة ، فيمكن اعتبار المادة التي تحتوي على العديد من الإلكترونات للتبرع بها غنية بالطاقة.

اقتران زوج الأكسدة والاختزال

لا توجد الإلكترونات بحرية في المحلول ، يجب أن تقترن بالذرات أو الجزيئات. يتكون كل تفاعل من تفاعل الأكسدة والاختزال من تفاعل نصفين ، حيث تتبرع إحدى المواد بالإلكترونات وبالتالي تصبح منتجًا مؤكسدًا بينما تقبل مادة أخرى الإلكترونات وبالتالي تصبح منتجًا مخفضًا. اقتران زوج الأكسدة والاختزال يشير إلى متقبل ومانح نصف رد فعل.

يمكن أن تكون المادة إما مانحًا للإلكترون أو متقبلًا للإلكترون ، اعتمادًا على المواد الأخرى في التفاعل. أ الأكسدة والاختزال زوج يمثل كلا شكلي المادة في نصف تفاعل ، مع وضع الشكل المؤكسد (متقبل الإلكترون) دائمًا على اليسار والشكل المصغر (مانح الإلكترون) على اليمين. مثال على ذلك هو ½ O2 / H2O ، حيث يمكن أن يعمل H2O كمانح للإلكترون ويمكن أن يكون O2 بمثابة متقبل للإلكترون. يتم إعطاء كل نصف رد فعل أ إمكانية التخفيض القياسية (E’0) بالفولت أو الميليفولت ، وهو قياس ميل المتبرع في التفاعل للتخلي عن الإلكترونات. المادة ذات الميل الأكبر للتبرع بالإلكترونات في الشكل المختزل لها قيمة E’0 سلبية أكثر ، في حين أن المادة ذات الميل الضعيف للتبرع بالإلكترونات في الشكل المصغر لها أقل سلبية أو حتى موجبة. المادة التي لها قيمة E’0 سالبة تجعل مانحًا جيدًا للإلكترون ، في الشكل المصغر.

برج الأكسدة

يتم عرض المعلومات المتعلقة بإمكانيات التخفيض القياسية لمختلف أزواج الأكسدة والاختزال في شكل أ برج الأكسدة، الذي يسرد الأزواج في شكل عمودي بناءً على E’0. أزواج الأكسدة والاختزال مع E’0 الأكثر سلبية مدرجون في الأعلى بينما أولئك الذين لديهم أكثر إيجابية E’0 مدرجون في الأسفل. يمكن العثور على المادة المختصرة ذات الميل الأكبر للتبرع بالإلكترونات في الجزء العلوي من البرج على اليمين ، بينما توجد المادة المؤكسدة ذات الميل الأكبر لقبول الإلكترونات في الجزء السفلي من البرج على اليسار. يمكن أن تعمل أزواج الأكسدة والاختزال في الوسط كمانحين أو متقبلين للإلكترون ، اعتمادًا على المادة التي يتشاركون معها في التفاعل. الفرق بين إمكانات الخفض للمتبرع والمقبل (ΔE’0) كمستقبل E’0 ناقص المتبرع E’0. كلما زادت قيمة ΔE’0 ، زادت الطاقة الكامنة للخلية. يتم اشتقاق القيم الأكبر عندما يكون هناك أكبر مسافة بين المتبرع والمقبل (أو سقوط أكبر أسفل البرج).

برج الكترون.

في حين أن ΔE’0 يتناسب مع ΔG ° ، فإن عدد الإلكترونات التي يجب أن تتبرع بها المادة مهم أيضًا. الصيغة الفعلية هي:

[ Delta mathrm {G} ^ { circ prime} = -nF cdot Delta { mathrm {E} ^ { prime}} _ {0} ]

أين ن هو عدد الإلكترونات التي يتم نقلها و F هو ثابت فاراداي (23،062 كالوري / مول-فولت ، 96 ، 480 جول / مول-فولت).

ناقلات الإلكترون

لا يحدث انتقال الإلكترونات من متبرع إلى متقبل بشكل مباشر ، نظرًا لأن المتبرعين والمقبولين للإلكترون المختلفين كيميائيًا قد لا يتفاعلون أبدًا مع بعضهم البعض. بدلاً من ذلك ، تشارك العديد من الوسائط الخلوية في العملية ، مع إمكانية التقاط الطاقة التي تحدث على طول الطريق. تسمى هذه الوسطاء إلكترون ناقلاتويتنقلون ذهابًا وإيابًا بين شكل مختزل (عندما يحملون إلكترونًا) وشكل مؤكسد (بعد مرور الإلكترون عليه) ، دون أن يستهلكوا في التفاعل بأنفسهم.

من أجل أن يكون التفاعل مواتياً بقوة للخلية ، يجب ترتيب الحاملات بالترتيب لإمكانية الاختزال القياسية (أي النزول إلى أسفل برج الأكسدة والاختزال) ، مع تمرير إلكترون من ناقل به أكثر سالب E'0 إلى حاملة أقل سالبة E'0. من المهم ملاحظة أن بعض الموجات الحاملة تقبل كلاً من الإلكترونات والبروتونات ، بينما تقبل الحاملات الأخرى الإلكترونات فقط. ستصبح هذه الحقيقة ذات أهمية حاسمة لاحقًا ، في مناقشة كيفية توليد الطاقة.

في حين أن هناك العديد من ناقلات الإلكترون المختلفة ، بعضها فريد من نوعه لكائنات معينة أو مجموعات من الكائنات الحية ، دعونا نغطي بعضًا من أكثرها شيوعًا:

  • نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD + / NADH) - إنزيم مساعد يحمل الإلكترونين (e-) والبروتونات (H +) ، اثنان من كل منهما. جزيء وثيق الصلة هو نيكوتيناميد فوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADP + / NADPH)الذي يقبل إلكترونين وبروتون واحد.
  • فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD / FADH) و أحادي نيوكليوتيد الفلافين (FMN / FMNH) - تحمل 2 إلكترون و 2 بروتون لكل منهما. تسمى البروتينات التي تحتوي على هذه الجزيئات بروتينات فلافوبروتينات.
  • أنزيم Q (CoQ) / يوبيكوينون - يحمل إلكترونين و 2 بروتونات.
  • السيتوكرومات - استخدام ذرات الحديد كجزء من مجموعة الهيم لحمل إلكترون واحد في المرة الواحدة.
  • بروتينات الحديد والكبريت (Fe-S)، مثل فيفيروكسين - استخدام ذرات حديد ليست جزءًا من مجموعة الهيم لحمل إلكترون واحد في المرة الواحدة.

سلسلة نقل الإلكترون

تبدأ العملية بمانح إلكترون أولي ، وهي مادة من خارج الخلية ، وتنتهي بمستقبل إلكتروني نهائي ، وهو مادة أخرى من خارج الخلية. في المنتصف ، يتم تمرير الإلكترونات من حامل إلى آخر ، حيث تعمل الإلكترونات في طريقها إلى أسفل برج الإلكترون. من أجل جعل العملية أكثر كفاءة ، يتم تضمين معظم ناقلات الإلكترون داخل غشاء الخلية ، بالترتيب الذي يتم ترتيبه على برج الأكسدة والاختزال. هؤلاء سلاسل نقل الإلكترون توجد داخل غشاء الخلية للبكتيريا والعتائق ، وداخل غشاء الميتوكوندريا لحقيقيات النوى.

سلسلة نقل الإلكترون.

الكلمات الدالة

التمثيل الغذائي ، الهدم ، الابتنائية ، الطاقة الحرة (G) ، العمل الكيميائي ، أعمال النقل ، العمل الميكانيكي ، G ° ، تغيير الطاقة الحر القياسي ، الطاقة ، endergonic ، ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) ، أورثوفوسفات (Pأنا) ، طاقة التنشيط ، المحفز ، الإنزيم ، تفاعل الأكسدة والاختزال (الأكسدة) ، مانح الإلكترون ، متقبل الإلكترون ، OIL RIG ، زوج الأكسدة والاختزال المترافق ، زوج الأكسدة والاختزال ، إمكانات الاختزال القياسية (E'0) ، برج الأكسدة والاختزال ، E'0 ، الإلكترون ناقلات ، نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD + / NADH) ، نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات (NADP + / NADPH) ، فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD / FADH) ، فلافين أحادي النوكليوتيد (FMN / FMNH) بروتينات الكبريت (Fe-S) ، الفيروكسين ، سلسلة نقل الإلكترون (ETC).

أسئلة الدراسة

  1. كيف يتم تعريف التمثيل الغذائي ، والتقويض ، والتمثيل الغذائي؟
  2. ما هي الأنواع الثلاثة الرئيسية للعمل الذي تقوم به الخلايا؟ ما هو مثال من كل نوع؟
  3. ما هي الطاقة الحرة؟ ما هي الطاقة الحرة القياسية؟
  4. ما هي خصائص رد فعل مائي ومثير للطاقة؟ كيف يمكن للخلايا الحفاظ على الطاقة المنبعثة من ردود الفعل؟
  5. ما هو دور الـ ATP في الخلية ولماذا هو مركب جيد لهذا الدور؟
  6. ما هي الانزيمات؟ ما هو الدور الذي تلعبه الانزيمات في الحفاظ على الطاقة؟
  7. ما هي الأكسدة والاختزال؟ ما الذي يمثله جهد الخفض القياسي ، مثل 2H + / H2 = -0.42V؟ حدد ما يمثله كل مصطلح في هذه المعادلة. في أزواج الأكسدة والاختزال ذات احتمالية O-R أكثر سلبية ، من المرجح أن يكون الشكل المختزل إلكترونًا ____________________ ولديه __________________________ طاقة كامنة. ما هو زوج الأكسدة والاختزال المترافق؟
  8. ما هو برج الإلكترون وكيف يساعد هذا المفهوم في تفسير تبادل الطاقة في الخلية؟
  9. ما هو ΔG0؟ ماذا يمثل وكيف يتم حسابه؟
  10. ما هو ناقل الإلكترون ، وما هو الدور الذي يلعبه ، وما هي أكثر ناقلات الإلكترون شيوعًا في الخلية ولماذا يجب إعادة تدويرها باستمرار؟
  11. ما هي سلسلة نقل الإلكترون وكيف تعمل للحفاظ على الطاقة للخلية؟


شاهد الفيديو: تفاعلات الضوء 1 (أغسطس 2022).