Reakcje utleniania i redukcji w procesie oddychania komórkowego - film z polskimi napisami

Teraz, kiedy powtórzyliśmy już trochę kwestie związane z procesami utleniania i redukcji, sprawdźmy czy nam to pomoże lepiej zrozumieć przebieg oddychania komórkowego. Podczas oddychania komórkowego, każdy mol glukozy, czyli C6H12O6, reaguje z -- glukoza ma postać roztworu wodnego (aq to skrót od łacińskiego aqua = woda). Jest rozpuszczona w wodzie. 1 mol glukozy reaguje z 6 molami cząsteczek tlenu. Ta reakcja zachodzi w komórkach wieloetapowo, a całość procesów nazywamy oddychaniem komórkowym. Przygotuję jeszcze o tym sporo filmików. Oddychanie komórkowe. Skróciłem ostatni wyraz. Produktem oddychania komórkowego jest 6 moli dwutlenku węgla. Potrzebny w procesie oddychania komórkowego tlen musimy wdychać, a dwutlenek węgla musimy wydychać, jako zbędny produkt oddychania komórkowego. 6 moli dwutlenku węgla oraz 6 moli wody. W tym procesie chodzi o to -- podczas oddychania komórkowego powstaje jeszcze energia, która jest przechowywana w postaci odpowiednich wiązań chemicznych. Jednak część tej energii jest bezpowrotnie tracona jako ciepło. Podczas oddychania komórkowego chodzi o to, żeby wytworzyć 38 cząsteczek ATP, które, jak już wiecie, są rodzajem komórkowej waluty energetycznej. Nasze ciała, czy ogólniej układy biologiczne, wykorzystują energię zmagazynowaną w ATP do generowania skurczów mięśni, impulsów nerwowych, wzrostu i podziałów komórek oraz do szeregu innych procesów zachodzących w żywych organizmach. W ostatnim filmiku mówiliśmy o utlenianiu i redukcji, teraz wykorzystajmy tę wiedzę. Dowiedzieliście się już, że według chemików -- zapiszę to -- że według chemików utlenianie oznacza utratę elektronów lub zdolności do ich przejęcia od innych atomów. Chemik powie Wam również, że redukcja to zyskiwanie elektronów. Żeby łatwiej to zapamiętać, możemy się wspomóc angielską regułką mnemotechniczną - OIL, czyli Oxidation Is Losing oraz Reduction Is Gaining, czyli RIG. W całości OIL RIG, czyli po angielsku platforma wiertnicza. Takiego podejścia uczymy się na lekcjach chemii. Tymczasem biolodzy i biochemicy definiują te procesy trochę inaczej. Biolodzy powiedzą Wam, że utlenianie to utrata atomów wodoru, a redukcja to przyłączanie atomów wodoru. W poprzednim filmiku widzieliście, że najtrudniej zastosować tę definicję do samego wodoru, ponieważ atom wodoru nie może sam siebie stracić lub zyskać. Jednak oba podejścia są prawidłowe i spójne. Jeśli mam na myśli atom węgla, który traci atom wodoru -- Mamy do czynienia ze związkiem, który wgląda tak. Do tego węgla może być przyłączonych wiele różnych elementów. Do tego węgla -- załóżmy, że mam atom węgla w tym związku, oraz atom tlenu, który razem z drugim atomem tlenu tworzy cząsteczkę. Tłumaczę to teraz w bardzo ogólny sposób. Może te atomy tlenu są związane jeszcze z jakimiś innymi strukturami. Od tego zaczynamy, a po drugiej stronie równania reakcji dostaniemy coś takiego. Do węgla przyłączony jest atom tlenu, a do wolnego wiązania na drugim atomie tlenu przyłączył się atom wodoru. Biolog powie Wam, że ten atom węgla uległ utlenieniu, ponieważ odłączył się od niego atom wodoru. Atom wodoru przemieścił się - zaznaczę to innym kolorem - przemieścił się z atomu węgla na atom tlenu. Biolog powie więc, że ten atom tlenu uległ redukcji. Uległ redukcji, ponieważ przyłączył się do niego atom wodoru. W rzeczywistości, zgodnie z definicją chemiczną, która bardziej mi się podoba, ten atom węgla jest silnie elektroujemny. Jest silniej elektroujemny niż atom wodoru. Atom tlenu jest jeszcze bardziej elektroujemny niż atom węgla. Kiedy do któregoś z nich przyłącza się atom wodoru, to i tlen, i węgiel będą ściągały na siebie jego elektron. Tutaj atom węgla ściąga na siebie elektron wodoru. Tu atom węgla ściąga elektrony. Natomiast tutaj to elektrony z atomu węgla są ściągane przez atom tlenu. Tlen ściąga elektrony węgla. Czyli wraz utratą atomu wodoru, atom węgla traci szansę na ściągnięcie elektronów. A ponieważ ostatecznie przyłącza się do atomu tlenu, to nie tylko traci szansę na ściągnięcie elektronów wodoru, ale też jego elektrony zostają ściągnięte przez silniej elektroujemny pierwiastek. Z tego powodu obie definicje utleniania i redukcji są spójne. Analogicznie dla tlenu. Tutaj jest związany z drugim atomem tlenu (taka sama elektroujemność) i nie ściąga żadnych elektronów. Ale kiedy przyłącza się do niego atom wodoru, to może ściągnąć na siebie jego elektrony. A to dlatego, że tle jest znacznie silniej elektroujemny niż wodór. Możemy więc powiedzieć, że atom tlenu zyskuje elektrony. Dlatego obie definicje są ze sobą spójne. Chociaż czasami, kiedy nie dotyczą wodoru, mogą się nie zgadzać. Generalnie definicja chemiczna jest bardziej uniwersalna. Z drugiej strony definicja biologiczna bywa łatwiejsza do uchwycenia. Zresztą spotkacie ją w Waszych podręcznikach. Wróćmy do oddychania komórkowego i spróbujmy zrozumieć, co to znaczy zostać utlenionym i zredukowanym. Popatrzcie tutaj. Mamy tu cząsteczkę glukozy. Skopiowałem też z Wikipedii model cząsteczki glukozy. Jest w nim jeden błąd. Może powinienem go edytować na Wikipedii. Do tego atomu węgla powinien być przyłączony jeszcze jeden atom wodoru. Jak widzicie, wszystkie atomy wodoru w cząsteczce są związane z atomami tlenu lub węgla. Po lewej stronie, atomy wodoru są związane z atomami tlenu lub węgla. Gdybyśmy wypisali stopnie utlenienia, okazałoby się, że atomy wodoru zawsze wiążą się z atomami silniej elektroujemnymi. W związku z tym będą oddawały im swoje elektrony. Przejdą więc na plus pierwszy stopień utlenienia. Atomy tlenu są z kolei związane z atomami węgla lub wodoru. Atom tlenu związany z atomem węgla lub wodoru, będzie ściągał na siebie ich elektrony, bo jest silniej elektroujemny. W cząsteczce glukozy atomy tlenu są zawsze na minus drugim stopniu utlenienia lub stopniu utlenienia -2. Ponieważ cała cząsteczka jest obojętna elektrycznie, możemy się spodziewać, że atomy węgla są na zerowym stopniu utlenienia. Jeśli to przeanalizujemy, to okaże się, że większość z nich rzeczywiście jest na zerowym stopniu utlenienia. Zaznaczę kilka z nich. Na przykład ten atom węgla - ściąga na siebie elektron z tego atomu wodoru. Ale ten elektron jest z kolei ściągany przez ten atom tlenu. Z tego powodu nie wpływa on na stopień utlenienia węgla. Atom węgla ma zerowy stopień utlenienia. Z tego samego powodu, ten atom też ma zerowy stopień utlenienia. I ten atom węgla również. Ten także. Jest związany z dwoma innymi atomami węgla (więc nie ma tu żadnych przesunięć elektronów), jeden z jego elektronów jest ściągany przez atom tlenu, ale sam atom węgla ściąga na siebie elektron z atomu wodoru. Bilans wychodzi na zero. Cztery z tych atomów węgla są na zerowym stopniu utlenienia. Atomy tlenu ściągają na siebie dwa elektrony z tego atomu węgla, ale on sam zabiera jeden elektron z atomu wodoru. Wobec tego, jest na plus pierwszym stopniu utlenienia. A tu mamy odwrotną sytuację. Atom węgla ściąga po elektronie od dwóch atomów wodoru i oddaje jeden elektron atomowi tlenu. Jest więc na minus pierwszym stopniu utlenienia. Stopnie utlenienia tych dwóch atomów węgla zerują się. Uśredniając, możemy przyjąć, że atomy węgla w cząsteczce glukozy są na zerowym stopniu utlenienia. Operuję teraz chemiczną definicją utleniania. Pokaże Wam, że jest ona tożsama z definicją biologiczną. Atomy tlenu w cząsteczkach tlenu są związane ze sobą i mają zerowy stopień utlenienia. Zaznaczę to lepszym kolorem. Są na zerowym stopniu utlenienia, ponieważ są związane podwójnym wiązaniem z innymi atomami tlenu. Atomy mają jednakową elektroujemność, więc nie ma żadnych przesunięć elektronów. Popatrzmy teraz na produkty reakcji. Cząsteczka dwutlenku węgla wygląda tak. Oba atomy tlenu ściągają na siebie po dwa elektrony z atomu węgla. Oba atomy tlenu mają minus drugi stopień utlenienia, bo każdy z nich ściąga na siebie po dwa elektrony z atomu węgla. Mają więc minus drugi stopień utlenienia. A wszystkie 4 elektrony walencyjne z atomu węgla zostają ściągnięte na atomy tlenu. Atom węgla ma więc plus czwarty stopień utlenienia. Stracił cztery elektrony, gdyż zostały ściągnięte przez atomy tlenu. To jest atom węgla. Możemy zapisać tutaj plus cztery. A nad każdym atomem tlenu - minus dwa. Później zsumujemy wszystkie stopnie utlenienia, żeby sprawdzić ich wartość dla poszczególnych cząsteczek. Teraz sprawdźmy cząsteczkę wody -- już o niej mówiliśmy --atom tlenu ściąga na siebie po elektronie od obu atomów wodoru. Ma więc minus drugi stopień utlenienia. A każdy z atomów wodoru - plus pierwszy stopień utlenienia. Podsumowując połowę równania reakcji oddychania z punktu widzenia chemika, czyli w odniesieniu do elektronów, natychmiast zauważamy, że zaczęliśmy od 12 atomów wodoru po lewej stronie. Zapiszę to w ten sposób. 12 atomów wodoru po tej stronie - H12. Każdy z nich ma plus pierwszy stopień utlenienia. Potem następuje proces oddychania komórkowego i znowu dostajemy 12 atomów wodoru. Mogę to zapisać jako 6 x 2 (mamy 6 cząsteczek H2O), ale i tak każdy z nich ma pierwszy stopień utlenienia. Każdy z nich jest na plus pierwszym stopniu utlenienia. Czyli atomy wodoru nie ulegają reakcjom utleniania ani redukcji. Przejdźmy teraz do atomów węgla. Po lewej stronie równania mamy 6 atomów węgla (C6 - jedna 6-węglowa cząsteczka) na zerowym stopniu utlenienia. A co się dzieje po prawej stronie równania? Dostaliśmy również 6 atomów węgla, w postaci 6 jednowęglowych cząsteczek (6C). Ale to ciągle 6 atomów węgla. Tym razem każdy z nich jest na plus czwartym stopniu utlenienia. To oznacza, że każdy z nich stracił 4 elektrony, a ich ładunek elektryczny wzrósł do +4 poprzez utratę tych elektronów. Ładunek wzrósł, bo atomy straciły ujemnie naładowane elektrony. W procesie oddychania komórkowego 6 atomów węgla uległo utlenieniu i przeszło na plus czwarty stopień utlenienia. Każdy z nich stracił po 4 elektrony, a mamy 6 atomów węgla. W sumie mamy więc 4 razy 6, czyli 24 elektrony. To suma elektronów straconych przez atomy węgla w procesie oddychania komórkowego. Widać więc, że atomy węgla zostały utlenione. Atomy węgla zostały utlenione. A utlenianie to utrata elektronów. W oddychaniu komórkowym, na podstawie równania połówkowego, widzimy, że 6 atomów węgla straciło w sumie 24 elektrony. Na koniec przejdźmy do atomów tlenu. Zgubiłem moje równanie. Mamy tutaj dwa rodzaje atomów tlenu i każdy z nich zapiszę osobno. W cząsteczce glukozy mam 6 atomów węgla na minus drugim stopniu utlenienia. A po lewej stronie równania. Zapiszę je w ten sposób. Są na minus drugim stopniu utlenienia. Po lewej stronie mam także 12 atomów węgla, każdy z nich na zerowym stopniu utlenienia. Nie będę nawet zapisywał przy nich stopnia utlenienia. Co się z nimi stanie w procesie oddychania komórkowego? Po prawej stronie równania, w cząsteczkach CO2, mamy 12 atomów tlenu na minus drugim stopniu utlenienia. 6 razy O2. Zapiszę atomy tlenu z cząsteczek dwutlenku węgla. Mamy 6 razy 2 atomy tlenu na minus drugim stopniu utlenienia. Po lewej stronie mamy również kolejne 6 atomów tlenu na minus drugim stopniu utlenienia, w cząsteczkach wody. Dodaję więc kolejnych 6 atomów tlenu na minus drugim stopniu utlenienia. Możemy policzyć całkowity stopień utlenienia dla wszystkich atomów tlenu biorących udział w reakcji. Te atomy były na zerowym stopniu utlenienia. A tutaj mamy 6 razy minu 2, czyli minus 12. Potraktujmy to jako sumaryczny ładunek tych sześciu atomów. 6 razy minus 2. Tutaj mamy 6 razy minus 2, co daje minus 12, a do tego jeszcze 6 razy 2 atomy tlenu w cząsteczce, czyli 12 i jeszcze razy minus 2. W sumie dostajemy minus 24. Żeby przejść od minus 12 do sumarycznego ładunku minus 36, trzeba przyłączyć 24 ujemnie naładowane elektrony. Te elektrony, które zostały przyłączone przez atomy tlenu, to te same elektrony, które zostały odrzucone przez atomy węgla. Z chemicznego punktu widzenia jest to bardzo przejrzyste. Atomy węgla zostały utlenione, a atomy tlenu przyłączyły elektrony. Redukcja polega na przyłączeniu elektronów. Czyli atomy tlenu uległy redukcji. To wszystko to dla Was powtórzenie, ale dobrze jest umiejscowić tę wiedzę w kontekście Ten proces pomaga nam również odpowiedzieć na pytanie - skąd bierze się cała ta energia? W każdej reakcji chemicznej, w której powstaje energia, jest to związane z przechodzeniem elektronów z wyższego stanu energetycznego na niższy. Jeśli mamy wzbudzony elektron (wyższy stan energetyczny), który może przejść do niższego stanu energetycznego, na niższy orbital energetyczny. Do niższego stanu energetycznego, który jest też bardziej stabilny. Podczas tego przejścia powstanie energia - w formie ciepła lub umożliwiająca syntezę ATP. W równaniach połówkowych widzimy 24 elektrony, które zostały utracone przez atomy węgla, a one sam został utleniony. Teraz te elektrony wędrują na atomy tlenu. Są tam transportowane w wieloetapowym procesie, a nie w postacie jednorazowej eksplozji. Transport elektronów jest wieloetapowy (inaczej uwolniona energia zniszczyłaby komórkę). Podczas transportu, elektrony przechodzą w coraz niższe stany energetyczne. Przechodzą w niższe stany energetyczne podczas wieloetapowej wędrówki z atomów węgla na atomy tlenu, energia uwalniana jest podczas ich transportu. Dzięki energii powstającej podczas transportu elektronów może powstać 38 cząsteczek ATP. Do tej pory mówiłem o tym, jak chemicy postrzegają utleniane. A na początku filmiku mówiłem trochę o punkcie widzenia biologów na ten proces. Później przyjrzeliśmy się oddychaniu komórkowemu z chemicznego punktu widzenia i zobaczyliśmy, że to atomy węgla ulegają utlenieniu, czyli tracą elektrony. Redukcji ulegają natomiast atomy tlenu, które przyłączają elektrony. Tlen ulega redukcji. Elektrony uwolnione z atomów węgla wędrują na do atomów tlenu. Jak ma się do tego biologiczna definicja reakcji utleniania i redukcji? Całkiem nieźle tu pasuje. Jeśli zdamy sobie sprawę, że wszystkie atomy wodoru po lewej stronie równania znajdują się w cząsteczce glukozy. Atomy wodoru są związane w cząsteczce glukozy. Mogą być przyłączone do atomów węgla lub tlenu. Atomy wodoru są przyłączone do atomów węgla i tlenu. A po prawej stronie równania, wszystkie atomy wodoru są związane wyłącznie z atomami tlenu. W sumie więc atomy węgla straciły atomy wodoru, a atomy tlenu zyskały atomy wodoru. Zapiszę to. Podczas oddychania komórkowego atomy wodoru odłączyły się od atomów węgla, a przyłączyły się do atomów tlenu. Obie definicje są więc zgodne. Z biologicznego punktu widzenia utrata atomów wodoru powoduje utlenienie, a przyłączenie atomów wodoru - redukcję (tutaj atomów tlenu). Myślę, że teraz będziecie już rozumieli ten proces, gdy się z nim zetkniecie -- zacząłem też rozrysowywać mechanizm działania, mam nadzieję, że nie za bardzo skomplikowanie -- proces transportu atomów wodoru zachodzi z udziałem cząsteczek NAD+ oraz FAD+. Będę jeszcze o tym mówił. Jeśli chcielibyśmy zgrać ze sobą chemiczną i biologiczną definicję utleniania i redukcji, pamiętajmy, że przenoszenie atomów wodoru między silnie elektroujemnymi atomami, to przenoszenie szansy na przejęcie elektronów wodoru przez te atomy. Po połączeniu z atomem wodoru, atom węgla ściąga jego elektron. Jeśli atom wodoru odłącza się od atomu węgla -- odłącza się cały atom, nie tylko jądro, cały atom wodoru wędruje do atomu tlenu -- atom tlenu zyskuje wtedy elektron, który może na siebie ściągnąć. Wraz z atomem wodoru, atom węgla stracił ten elektron. Atom węgla został utleniony, a atom tlenu - zredukowany. Już o tym mówiłem w poprzednich filmikach. Najbardziej mylące w reakcji utleniania jest to, że zawsze chciałoby się powiedzieć, że chodzi o coś związanego z tlenem. W rzeczywistości tak jest. Ten termin wiąże się z tym, co atom tlenu zmienia w tym, do czego się przyłączy. Kiedy atom tlenu wiąże się z innym atomem, zabiera jego elektrony. A w reakcjach chemicznych - najczęściej zabiera atomy wodoru. Zabrał atomy wodoru od atomów węgla podczas oddychania komórkowego. To od reakcji z udziałem tlenu pochodzi termin utlenianie. Ale żeby zaszła reakcja utleniania, tlen nie jest niezbędny. Mam nadzieję, że te informacje Wam się przydadzą. Prawdę mówiąc, definicja biologiczna trochę zaburzyła moje rozumienie tych procesów. Umiałem je wytłumaczyć z chemicznego punktu widzenia, a potem otworzyłem podręcznik biologii, w którym była opisana kwestia tracenia i zyskiwania atomów wodoru, a nie elektronów. Zebranie tego w całość zajęło mi trochę czasu.