معلومة

1.15: تفاعلات الطاقة والكيمياء الحيوية - علم الأحياء

1.15: تفاعلات الطاقة والكيمياء الحيوية - 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.

ما هي الطاقة؟ من أين تأتي طاقتك؟ هل يمكن إعادة تدوير الطاقة؟

هذا الفريق من النمل يكسر شجرة ميتة. مثال كلاسيكي للعمل الجماعي. وكل هذا العمل يتطلب طاقة. في الواقع ، كل تفاعل كيميائي - التفاعلات الكيميائية التي تسمح للخلايا في هؤلاء النمل بالقيام بـ الشغل - يحتاج إلى طاقة للبدء. وكل هذه الطاقة تأتي من الطعام الذي يأكله النمل. كل ما يأكل النمل يحصل على طاقته من النمل. تمر الطاقة من خلال نظام بيئي في اتجاه واحد فقط.

التفاعلات الكيميائية والطاقة

تتضمن التفاعلات الكيميائية دائمًا طاقة. طاقة هي خاصية للمادة التي يتم تعريفها على أنها القدرة على القيام بعمل. عندما يحترق الميثان ، على سبيل المثال ، فإنه يطلق طاقة على شكل حرارة وضوء. تمتص التفاعلات الكيميائية الأخرى الطاقة بدلاً من إطلاقها.

التفاعلات الطاردة للحرارة

يسمى التفاعل الكيميائي الذي يطلق الطاقة (مثل الحرارة) تفاعل طارد للحرارة. يمكن تمثيل هذا النوع من التفاعل بمعادلة كيميائية عامة:

الكواشف → المنتجات + الحرارة

بالإضافة إلى احتراق الميثان ، هناك مثال آخر على تفاعل طارد للحرارة وهو اتحاد الكلور مع الصوديوم لتكوين ملح الطعام. يؤدي هذا التفاعل أيضًا إلى إطلاق طاقة.

تفاعل إمتصاص الحرارة

يسمى التفاعل الكيميائي الذي يمتص الطاقة تفاعل إمتصاص الحرارة. يمكن أيضًا تمثيل هذا النوع من التفاعل بمعادلة كيميائية عامة:

الكواشف + الحرارة ← المنتجات

هل سبق لك أن استخدمت عبوة تبريد كيميائية؟ تبرد العبوة بسبب تفاعل ماص للحرارة. عندما ينكسر أنبوب داخل العبوة ، فإنه يطلق مادة كيميائية تتفاعل مع الماء داخل العبوة. يمتص هذا التفاعل الطاقة الحرارية ويبرد العبوة بسرعة.

طاقة التفعيل

تحتاج جميع التفاعلات الكيميائية إلى طاقة لتبدأ. حتى التفاعلات التي تطلق الطاقة تحتاج إلى دفعة من الطاقة لكي تبدأ. الطاقة اللازمة لبدء تفاعل كيميائي تسمىالتنشيط طاقة. طاقة التنشيط هي مثل الدفع الذي يحتاجه الطفل لبدء النزول إلى أسفل منزلق في الملعب. يمنح الدفع للطفل طاقة كافية لبدء الحركة ، ولكن بمجرد أن تبدأ ، تستمر في الحركة دون دفعها مرة أخرى. يتم توضيح طاقة التنشيط فيشكل أدناه.

طاقة التفعيل. توفر طاقة التنشيط "الدفع" اللازم لبدء تفاعل كيميائي. هل التفاعل الكيميائي في هذا الشكل تفاعل طارد للحرارة أم تفاعل ماص للحرارة؟

لماذا تحتاج جميع التفاعلات الكيميائية إلى طاقة لتبدأ؟ لكي تبدأ التفاعلات ، يجب أن تصطدم الجزيئات المتفاعلة ببعضها البعض ، لذلك يجب أن تتحرك ، وتتطلب الحركة طاقة. عندما تصطدم الجزيئات المتفاعلة ببعضها البعض ، فإنها قد تتنافر بسبب القوى بين الجزيئات التي تدفعها بعيدًا. التغلب على هذه القوى حتى يمكن للجزيئات أن تتجمع وتتفاعل يتطلب أيضًا طاقة.

يمكن الاطلاع على نظرة عامة على طاقة التنشيط على http://www.youtube.com/watch؟v=VbIaK6PLrRM (1:16).

كما ترى طاقة التفعيل، ركز على هذه المفاهيم:

  1. دور طاقة التنشيط ،
  2. ما يوضحه مخطط الطاقة.

ملخص

  • تتضمن التفاعلات الكيميائية دائمًا طاقة. التفاعل الكيميائي الذي يطلق الطاقة هو تفاعل طارد للحرارة ، والتفاعل الكيميائي الذي يمتص الطاقة هو تفاعل ماص للحرارة. الطاقة اللازمة لبدء تفاعل كيميائي هي طاقة التنشيط.

استكشاف المزيد

استخدم هذا المورد للإجابة على الأسئلة التالية.

  • http://www.hippocampus.org/Biology → علم الأحياء غير المتخصص → بحث: طاقة
  1. ما هي الطاقة؟
  2. لماذا تحتاج الكائنات الحية إلى الطاقة؟
  3. ما هو الفرق الرئيسي بين الطاقة الكامنة والحركية؟
  4. ما هو المصدر الأصلي لمعظم الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية على الأرض؟

إعادة النظر

  1. ما هو رد الفعل الطارد للحرارة؟
  2. ما هي المعادلة الكيميائية العامة للتفاعل الماص للحرارة؟
  3. ما هي طاقة التنشيط؟
  4. لماذا تتطلب جميع التفاعلات الكيميائية تنشيط الطاقة؟

التفاعلات الكيميائية الحيوية والطاقة والإنزيمات

قم بتنزيل الفيديو من iTunes U أو Internet Archive.

أردت فقط قضاء الدقائق الأولى والثانية في توضيح ثلاث قضايا. لا شيء يمثل مشكلة مفاهيمية كبيرة ، لكننا نود التركيز على التفاصيل وتصحيحها ، وتصحيحها هنا أيضًا.

أولاً ، لقد أخطأت في رد فعل آخر مرة وصفت فيه سبب كون الحمض النووي الريبي قابلاً للتغير القلوي ، أي إذا كان لدينا درجة حموضة عالية ، فإننا نسمي ذلك الرقم الهيدروجيني القلوي ، أو الرقم الهيدروجيني القلوي ، في الواقع ، لاستخدام الصفة. وقلنا أن مجموعات الهيدروكسيل يمكن أن تسبب انشقاق روابط الفوسفوديستر في الحمض النووي الريبي ولكن ليس الحمض النووي. والطريقة التي وصفت بها حدوث ذلك هي أن المجموعة القلوية تتسبب في تكوين هذه الحلقة المكونة من خمسة أعضاء هنا ، كربونين ، واثنين من الأكسجين والفوسفات. وهذا ينتهي في النهاية إلى هذا حيث لم يعد هناك أي اتصال مع أحادي الفوسفات الريبونوكليوزيد أدناه. وقد رسمته على هذا النحو ، بدون أكسجين ، وهذا أمر غير مقبول لأنه ، في الواقع ، في الحقيقة ، وكما التقط الكثير منكم ، يعود هذا إلى اثنين من الهيدروكسيل الأساسي. لذا ، يرجى ملاحظة أن هناك خطأ. هناك أيضًا بعض الأخطاء الأخرى. على سبيل المثال ، في الكتاب المدرسي يمنحك الانطباع أنه عند بلمرة الأحماض النووية ، فإنك تستخدم أحادي الفوسفات للقيام بذلك.

وإذا استمعت إلى محاضرتي في المرة الأخيرة ، فهذا لا معنى له ، لأنك بحاجة إلى استثمار طاقة ثلاثي الفوسفات من أجل توليد طاقة كافية لتوليد طاقة كافية للبلمرة. الكتاب المدرسي غير صحيح هناك.

الكتب المدرسية كتبها الناس ، في السراء والضراء ، وعلى هذا النحو ، مثل كل شيء آخر ، فهي مميتة وغير معصومة. لذا ، فإن حقيقة الأمر هي ، عندما تقوم ببلمرة الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، فإنك تحتاج إلى واحد من أربعة ريبونوكليوزيد أو ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد من أجل التبرع بالطاقة التي تجعل هذه البلمرة ممكنة.

ويرجى ملاحظة أن هذا خطأ في الكتاب. تذكر ، كما قلت في المرة السابقة ، حقيقة أن ATP هو حقًا عملة الطاقة في الخلية ، وأن طاقته مخزنة وملفوفة في هذا الزنبرك المكبوت حيث يحمل التنافر الكهروستاتيكي المتبادل بين الفوسفات الثلاثة سالبة الشحنة معها. طاقة كامنة هائلة.

ويمكن تحقيق بعض هذه الطاقة الكامنة ، أثناء تخليق بلمرة الأحماض النووية عن طريق شق هذه الرابطة هنا. يمكن للمرء أيضًا أن يولد طاقة كامنة عن طريق شق هذه الرابطة هنا. هذا هو ألفا وبيتا وغاما فوسفات. ويمكن أن يؤدي انقسام أي منهما إلى توليد طاقة كبيرة ، والتي بدورها يمكن ، كما سنشير قريبًا ، استثمارها في تفاعلات أخرى. تفاعل البلمرة. النقطة الثانية التي أود أن أوضحها لكم هي التالية ، وستقولون إنها نوع من المصادفة. عملة الطاقة في الخلية هي ATP ، أدينوزين ثلاثي الفوسفات ، ونرى هيكلها هنا ، ويصادف أن يكون هذا أحد السلائف الأربعة للحمض النووي الريبي.

لذلك ، يتم استخدام نفس الجزيء في هذين التطبيقين المختلفين غير المرتبطين بشكل ظاهري. الأول ، البلمرة لصنع RNA حيث يتم تخزين المعلومات الجينية ونقلها.

أو ، بدلاً من ذلك ، يتم استخدامه هنا في هذا السياق ليكون بمثابة عملة للطاقة. طاقة عالية مثل ATP. ADP مع القليل من الطاقة. أحادي الفوسفات AMP مع طاقة أقل. وقد تسأل نفسك ، حك رأسك وقل لماذا يستخدم نفس الجزيء لهذين الشيئين المختلفين؟

في الواقع ، هناك تطبيقات أخرى لهذه الريبونوكليوسيدات والتي يبدو أيضًا أنها لا علاقة لها بتخزين أو نقل المعلومات الجينية. ومن المعتقد ، على الأرجح ، أن السبب وراء استخدام نفس الجزيء لهذه التطبيقات المختلفة تمامًا هو أنه في وقت مبكر من تطور الحياة على هذا الكوكب ، كان هناك بالفعل عدد قليل من الجزيئات البيولوجية التي كانت موجودة. في الواقع ، كما سنذكر مرة أخرى لاحقًا ، من المحتمل أن الكائنات الحية الأولى لم تستخدم الحمض النووي كجينومات. إنها مقالة إيمانية معنا أن المرء يخزن المعلومات الجينية في جزيئات الحمض النووي.

وأشرت إلى ذلك بشكل صريح في المرة الأخيرة. ولكن ، حقيقة الأمر ، ربما تكون الحالة هي أن الكائن الأول ، أول أشكال الحياة ما قبل الخلوية ، استخدم الحمض النووي الريبي كمواد وراثية ، RNA لتخزين الأشياء ، ونسخ الحمض النووي الريبي عبر جزيئات RNA مزدوجة الشريطة كطريقة للأرشفة. المعلومات الجينية. وفقط في وقت لاحق أثناء تطور الحياة على هذا الكوكب ، عندما لم يكن ذلك ممكنًا ، ولكن كان من الممكن أن يكون بعد مائة أو مائتي عام. من الواضح ، إذا كنا نتحدث عن أصل الحياة منذ ما بين 3 و 3.5 مليار سنة ، فلا يمكننا تحديد ذلك في الوقت المناسب جيدًا ، ولكن لاحقًا فقط تم تكليف الحمض النووي بوظيفة التخزين ، بطريقة مستقرة ، المعلومات الجينية. ونتيجة لذلك ، أدركنا أيضًا اكتشافًا آخر ، وهو أن جميع المحفزات التي سنتحدث عنها اليوم ، الإنزيمات كما نسميها ، تقريبًا كل إنزيمات العصر الحديث هي بروتينات. وتحدثنا عنها بإيجاز من قبل. ولكن على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، و 20 عامًا ، كان هناك اكتشاف أن جزيئات معينة من الحمض النووي الريبي تمتلك أيضًا القدرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. عندما كنت أدرس الكيمياء الحيوية ، لو أخبرني أحدهم بذلك ، كنت سأستدعى جناح الطب النفسي لأن هذه كانت فكرة غريبة.

كيف يمكن لجزيء الحمض النووي الريبي أن يحفز تفاعل كيميائي حيوي؟

لا تحتوي على كل المجموعات الجانبية التي يحتاجها المرء لإنشاء المواقع المحفزة للتفاعلات. لكننا ندرك الآن ، على أساس البحث الذي أدى في الواقع إلى منح جائزة نوبل منذ حوالي خمس سنوات ، أن جزيئات الحمض النووي الريبي قادرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. ويبدأ ذلك في إعطائنا نظرة ثاقبة حول كيفية نشأة الحياة على هذا الكوكب لأن جزيئات الحمض النووي الريبي ربما تكون قد خزنت المعلومات الجينية ، كما قلت سابقًا ، ربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي ، أو سلائفها مثل ATP ، هي عملتها لتخزين روابط الطاقة العالية ، مثل يشار هنا.

وربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) هي الإنزيمات الأولى التي تحفز العديد من التفاعلات في أكثر أشكال الحياة بدائية التي وجدت لأول مرة على هذا الكوكب. وبالتالي ، ما أقوله هو أنه مع تطور الحياة في أول مائة أو مائتي مليون سنة ، ومن يدري كم من الوقت استغرقت ، تولى الحمض النووي تدريجياً مهمة تخزين المعلومات من الحمض النووي الريبي ، وتولت البروتينات تدريجياً مهمة وسيط الحفز ، من العمل كأنزيمات لتولي المهمة من جزيئات الحمض النووي الريبي. يوجد اليوم بعض التفاعلات الكيميائية الحيوية الأثرية التي نعتقد أنها بقايا ، أصداء لبداية الحياة على الأرض ، والتي لا تزال تتوسط فيها محفزات الحمض النووي الريبي. نعتقد أنها تمثل ارتدادًا إلى هذه الخطوات المبكرة جدًا ، ربما حتى في شكل الحياة ما قبل الخلوية حيث تم تفويض الحمض النووي الريبي بمهمة العمل كمحفز.

سنركز اليوم كثيرًا على قضية التفاعلات الكيميائية الحيوية بأكملها ومسألة الطاقة. وهذا يجعلنا ندرك أن هناك بالفعل نوعين من التفاعلات الكيميائية الحيوية.

ربما تعلم البعض منكم هذا منذ وقت طويل.

إما التفاعلات الباهظة التي تطلق الطاقة ، والتي تنتج الطاقة أثناء تقدمها ، أو على العكس من تفاعلات الطاقة التي تتطلب استثمارًا للطاقة من أجل المضي قدمًا.

لذلك ، من الواضح هنا ، إذا كانت هذه حالة طاقة عالية ونتحدث عن الطاقة الحرة للنظام ، وهي إحدى الطرق لتصوير اللغة الديناميكية الحرارية مقدار الطاقة الموجودة في الجزيء ، إذا انتقلنا من طاقة عالية الحالة إلى حالة طاقة منخفضة ثم يمكننا رسم هذا مثل هذا ويمكننا أن ندرك أنه من أجل الحفاظ على الطاقة ، الطاقة الكامنة في هذا الجزيء ، يتم إطلاق الطاقة الكامنة العالية عندما تتدحرج هذه الكرة أو هذا الجزيء أسفل التل. وبالتالي ، ينتج التفاعل طاقة ، إنها طاقة. وعلى العكس من ذلك ، إذا أردنا أن يستمر رد الفعل هذا ، فنحن بحاجة إلى استثمار الطاقة الحرة من أجل تحقيق ذلك. تحدث الطاقة الحرة ، في أغلب الأحيان ، في شكل روابط كيميائية ، أي الطاقة التي يمكن استثمارها ، على سبيل المثال ، من خلال الاستفادة من الطاقة الكامنة المخزنة في الفوسفاتيستر ، في روابط الفوسفات والفوسفات المشار إليها بشكل صحيح هنا.

هنا ، بالمناسبة ، نموذج ملء الفراغ من ATP لمعلوماتك فقط. هذه هي الطريقة التي ستبدو بها في الحياة ، وهذه هي الطريقة التي نرسمها بها.

الآن ، بعد قولي هذا ، إذا نظرنا إلى ملف الطاقة الحرة للتغيرات الكيميائية الحيوية المختلفة ، فيمكننا تصويرها ، مرة أخرى ، بهذه الطريقة التخطيطية للغاية هنا.

وبالمناسبة ، يُطلق على الطاقة المجانية اسم G ، طاقة Gibbs المجانية بعد Josiah Gibbs الذي كان ساحرًا ديناميكيًا حراريًا في القرن التاسع عشر في Yale في New Haven. وهنا ما نراه هو أن التغير في الطاقة الحرة بين المواد المتفاعلة والنواتج تعطى بواسطة دلتا ج.لذلك ، بحكم التعريف ، نبدأ التفاعل مع المواد المتفاعلة.

وننتهي في نهاية التفاعل مع المنتجات.

وبشكل عام ، إذا كان التفاعل مفرط الطاقة وسيستمر إلى الأمام ، فإنه يطلق طاقة. ويشار هنا إلى الإطلاق الصافي للطاقة بواسطة دلتا ج.ولكن ، في أغلب الأحيان ، التفاعلات الكيميائية الحيوية التي يفضلها بقوة ، والتي تكون طاردة للطاقة في الواقع لا يمكن أن تحدث بشكل عفوي.

لا تحدث بشكل عفوي لأنه ، لأسباب مختلفة ، يجب أن تمر عبر حالة وسيطة.

والذي يمثل في الواقع طاقة حرة أعلى بكثير مما تمتلكه المواد الأولية المتفاعلة. وهذه الطاقة الحرة الأعلى ، التي يحتاجون إلى اكتسابها من أجل التحرك فوق التل ونزولاً إلى الوادي ، تسمى طاقة التنشيط ، طاقة التنشيط.

وبالتالي ، إذا كنت سأزود هذه المواد المتفاعلة بالطاقة ، على سبيل المثال ، فلنفترض أنني كنت سأقوم بتسخين هذه المواد المتفاعلة ومن ثم أعطيها درجة أعلى من الطاقة الحرارية التي قد تكون قادرة على استخدامها للانتقال إلى هذه الطاقة العالية حالة.

لقد زودتهم بالطاقة المجانية من خلال إعطائهم الحرارة.

ثم قد يتمكنون من التحرك صعودًا إلى هنا ثم التدحرج إلى أسفل التل.

ولكن في حالة عدم التدخل الفعلي وتزويدهم بتلك الطاقة ، سيبقون هنا ، وقد يظلون هناك لمليون سنة ، على الرغم من أنه من حيث المبدأ ، إذا وصلوا إلى هنا ، فسيكونون أكثر سعادة. من حيث الوصول إلى حالة طاقة أقل بكثير. لتوضيح ما هو واضح ، ترغب كل هذه الأنواع من ردود الفعل في الوصول إلى أدنى حالة طاقة ممكنة. لكن في الوقت الفعلي لا يمكن أن يحدث ذلك إذا كانت هناك طاقة تنشيط عالية. الآن ، ماذا تفعل الإنزيمات؟

كالعادة ، أنا سعيد لأنني طرحت هذا السؤال. ما يفعلونه هو أنهم يقللون من طاقة التنشيط. وهذا واضح من ناحية ، وهو خفي بمعنى ما ، لأن الإنزيمات ليس لها أي تأثير على حالة الطاقة الحرة للمتفاعلات ، وليس لها أي تأثير على الطاقة الحرة للمنتجات. كل ما يفعلونه هو خفض الحدبة ، وقد يخفضونها بشكل كبير جدًا.

ولأنها تخفضها بشكل كبير ، فقد تكون بعض المواد المتفاعلة هنا ، فقط من خلال فرصة اكتساب الطاقة الحرارية ، قادرة على التحرك فوق الحدبة المنخفضة للغاية والانتقال إلى هذه الحالة هنا. الآن ، الفرق الفعلي في طاقة جيبس ​​الحرة لم يتأثر إطلاقا.

كل ما يحدث هو أن الإنزيم ، عن طريق خفض طاقة التنشيط ، يجعل ذلك ممكنًا في الوقت الفعلي. الحقيقة هي أنه في النهاية ، إذا كان على المرء أن يرسم أنواعًا عديدة من التفاعلات ، فإن العديد من التفاعلات ، كما هو موضح هنا ، لها طاقة تنشيط عالية جدًا ، وبالتالي ننظر إليها على هذا النحو. ولكن يمكن أن تكون هناك تفاعلات أخرى قد يكون لها طاقة تنشيط تبدو مثل هذه ، لا شيء على الإطلاق. ويمكن أن تحدث هذه التفاعلات بشكل عفوي في درجة حرارة الغرفة في غياب أي تدخل بواسطة الإنزيم. على سبيل المثال ، لنفترض أننا نتحدث عن مجموعة كربوكسيل تطلق بروتونًا. لقد تحدثنا عن ذلك بالفعل. حسنًا ، هذا التفاعل يحدث تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة. لا يحتاج إلى إنزيم لتحقيق ذلك. يمكن أن يحدث لأنه لا يوجد في الأساس طاقة التنشيط. لكن الغالبية العظمى من التفاعلات الكيميائية الحيوية لديها طاقة تنشيط كهذه ، وبالتالي تتطلب خفضًا مثل هذا من أجل الحدوث.

الآن ، دعنا نتخيل إصدارات أخرى من ملف تعريف الطاقة للتفاعل.

وتذكر أن ما أعرضه هنا على الإحداثي هو مجرد مسار رد الفعل. يمكنك أن تتخيل أنني لا أخطط للوقت حقًا. أنا أتحدث فقط عن موقف لم يحدث فيه رد الفعل على اليسار وحدث ذلك على اليمين. هل يمكنك رؤية هذا هناك؟ ثم لن أكتب هناك. حسنا. دعونا نرى إذا كان هذا يعمل.

يا فتى ، نحن هنا في القرن الحادي والعشرين وما زلنا لم ننجح في حل هذه المشكلة.

نعم. يمكن للجميع رؤية هذا هنا ، أليس كذلك؟ نعم.

اذا انظر. لنتخيل أن لدينا رد فعل يشبه هذا ، ملف تعريف رد فعل يشبه هذا ، حيث تتكافئ هاتان الطاقتان في الواقع. نعم؟ لقد حاولت الرسم عليها.

حسنًا ، إنهم ليسوا بالضبط ، لكنهم إلى حد كبير على نفس المستوى تمامًا. ولنفترض أننا بدأنا بعدد كبير من الجزيئات هنا. الآن ، إذا كان هناك إنزيم في الجوار ، فإن الإنزيم قد يقلل من طاقة التنشيط ، وبذلك ، يجعل من الممكن للجزيئات أن تخترق هذا التل وتتحرك هنا. حقيقة أنه عندما ينتقل الجزيء إلى هنا يكون لديه نفس الطاقة الحرة الموجودة هناك ، فإن ذلك يعني أن المحفز ، من حيث المبدأ ، قد يسهل أيضًا التفاعل الخلفي.

ماذا أعني برد الفعل الخلفي؟ أعني الذهاب في الاتجاه المعاكس بالضبط. وهكذا ، بمجرد أن تتشكل الجزيئات هنا ، فإن تأثير خفض الطاقة للإنزيم قد يسمح لها بالتحرك في كلا الاتجاهين. وبالتالي ، فإن ما سنحصل عليه في النهاية هو إقامة توازن.

إذا كانت حالتا الطاقة هاتان متساويتان ، سأخبرك ، أن 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا و 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا. وها نحن نبدأ الآن في الصراع بين مفهومين مستقلين مختلفين ، معدل التفاعل وحالة توازن التفاعل.

لاحظ أن الإنزيم ليس له أي تأثير على الإطلاق على حالة التوازن.

هذان هما في طاقات حرة متساوية ، حالة التوازن.

سواء كان حاجز الطاقة مرتفعًا أو ما إذا كان هذا الارتفاع غير ذي صلة. الحقيقة هي أنه إذا كان الإنزيم يجعل هذه الحركة ممكنة ذهابًا وإيابًا ، فإن حالة التوازن النهائية ستكون 50٪ من الجزيئات هنا و 50٪ من الجزيئات هناك.

وبالتالي ، يؤثر الإنزيم حقًا فقط على معدل حدوث التفاعل. هل سيحدث في جزء من الثانية أم سيحدث في يوم واحد أم سيحدث في غضون مليون سنة؟

لا يؤثر الإنزيم على الإطلاق على المنتج النهائي ، وهو في هذه الحالة التوازن.

بالطبع ، هناك شكليات رياضية بسيطة تربط الاختلاف في الطاقات الحرة بالتوازن.

هنا قد يكون لدينا موقف حيث ينتهي 80٪ من الجزيئات بالتوازن هنا وينتهي الأمر بـ 20٪ هنا. أو ، قد ينتهي بنا الأمر كحالة حيث ينتهي 99٪ من الجزيئات هنا و 0.

٪ من الجزيئات تنتهي هنا.لكن حالة التوازن النهائية هذه لا تتأثر بأي حال من الأحوال بالإنزيم. إنهم فقط يحققون ذلك في الوقت الفعلي. وبالتالي ، لتكرار وترديد النقطة التي أشرت إليها في المرة الأخيرة ، إذا كانت معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية ستحدث في الوقت الفعلي ، أي في ترتيب الثواني أو الدقائق ، يجب أن يكون الإنزيم موجودًا للتأكد من حدوثها.

في غياب مثل هذا الإنزيم من التوسط ، لن يحدث ذلك في الوقت الفعلي. على الرغم من أنها مفضلة بقوة من حيث المبدأ. لذا ، دعنا فقط نضع ذلك في الاعتبار أثناء المناقشات التي تحدث. ودعونا نبدأ الآن في إلقاء نظرة على تفاعل مهم لتوليد الطاقة في الخلية يسمى تحلل السكر. نحن نعلم بالفعل البادئة glycol.

يشير جليكو إلى السكر. والتحلل ، L-Y-S-I-S يشير إلى انهيار مركب معين. لن أسألك ، ولن يطلب منك أي شخص آخر في الغرفة حفظ تسلسل ردود الفعل هذا. لكني أود منكم أن تنظروا إليها وتروا الدروس المستفادة التي يمكننا استخلاصها من ذلك ، ما هي الحكمة التي يمكن أن نتعلمها من النظر إلى مثل هذه السلسلة المعقدة من ردود الفعل. ربما ، أول شيء يمكن أن نتعلمه هو أنه عندما نفكر في التفاعلات الكيميائية الحيوية ، لا نفكر فيها على أنها تحدث منعزلة. أتحدث هنا ، على سبيل المثال ، في هذه الحالة يمكن أن أتحدث عن A زائد B بالذهاب إلى C زائد D ، وقد يكون هناك رد فعل خلفي للوصول إلى التوازن.

ونحن فقط نعزل رد الفعل البسيط هذا عن كل الآخرين من حوله.

لكن في العالم الحقيقي في الخلايا الحية ، تكون معظم التفاعلات أجزاء من مسارات طويلة جدًا حيث تشير كل خطوة من هذه الخطوات هنا إلى أحد الخطوات الأخرى ، وهي خطوة في المسار. ما يهمنا هنا هو كيفية تفكيك الجلوكوز ، الذي أعلنت عنه قبل محاضرتين كمصدر مهم للطاقة.

كيف تحصد الخلية الطاقة ، الكامنة في الجلوكوز ، من أجل توليد ، من بين أمور أخرى ، ATP ، والتي قلناها مرارًا وتكرارًا هي عملة الطاقة؟ يتم استخدام ATP بواسطة مئات التفاعلات الكيميائية الحيوية المختلفة من أجل تحقيقها.

هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية الأخرى هي تفاعلات مفعمة بالحيوية ، وتتطلب استثمارًا للطاقة ، وبشكل ثابت تقريبًا ، ولكن ليس دائمًا ، ولكن تقريبًا ستمسك الخلية بجزيء ATP ، وتكسرها عادةً إلى AMP أو ADP.

ومن ثم استخدام الطاقة ، المستمدة من تحطيم ATP ، سوف تستثمر هذه الطاقة في تفاعل endergonic ، والذي لن يحدث لولا ذلك. لذا ، نصل هنا إلى فكرة أنه ربما من خلال استثمار الطاقة في تفاعل ما ، يتغير التوازن. لأنه من خلال استثمار الطاقة ، في الواقع ، تكون الخلية قادرة على خفض حالة الطاقة الحرة بين هذين الاثنين.

وهذا يجعل من الممكن أن يكون توازنهم أفضل بكثير.

لنلقِ نظرة على مسار التحلل السكري هذا. من الواضح أن حال السكر يشير إلى تحلل السكر. وهنا نبدأ بالجلوكوز.

نحن نرسمه بشكل مسطح بدلاً من الهيكل الدائري الذي تحدثنا عنه في المرة السابقة. ودعونا نلقي نظرة على ما يحدث هنا ، مرة أخرى ، ليس لأن أي شخص يريدك أن تحفظ هذا ، ولكن لأن بعض التفاصيل في حد ذاتها توضيحية للغاية.

الهدف من هذا التمرين هو إنتاج ATP للخلية ، لكن الخطوة الأولى في التفاعل تأتي في الواقع بنتائج عكسية تمامًا. انظر إلى أول شيء يحدث. أول شيء يحدث هو أن الخلية تستثمر جزيء ATP لصنع الجلوكوز 6 فوسفات.

لقد أعلنت أن الهدف من ذلك هو إنتاج ATP من ADP ، ثنائي فوسفات الأدينوزين. لكن أول شيء هنا ، هذا هو تفاعل مفاجيء حيث تستثمر الخلية الطاقة لتكوين هذا الجزيء هنا. لذا ، هذا غير منطقي.

لكن ظاهريًا يجب أن يكون منطقيًا ، على مستوى أو آخر ، لأنك وأنا ، نحن جميعًا هنا ، والجميع في هذه الغرفة ، على الأقل هذه اللحظة نشطة في التمثيل الغذائي.

حسنا. إذن ، لدينا هذا الجزيء هنا ، الجلوكوز 6 فوسفات. وهذا يمكن أن يتشابه.

ترى ، هنا جلوكوز 6 فوسفات ، فركتوز 6 فوسفات.

وحقيقة الأمر أنه لا يوجد تفاعل اختزال للأكسدة هنا. إنها مجرد أزمرة.

وهذا الجزيء وهذا الجزيء في نفس حالة الطاقة الحرة تقريبًا. يحدث أن يكون ملفهم الشخصي يشبه إلى حد كبير الملف الشخصي الذي رسمته لك من قبل. سيبدو ملف الطاقة الخاص بهم هكذا. ويحتاج المرء إلى إنزيم لخفضه ، لكن لا توجد طاقة تحتاج إلى استثمارها في تحويل أحدهما إلى الآخر لأنهما جزيئات متشابهة جدًا وبالتالي حالات طاقة حرة لا تضاهى. انظر الآن إلى الخطوة التالية.

الخطوة التالية هي مرة أخرى طريقة أخرى لتوليد الطاقة تؤدي إلى نتائج عكسية تمامًا. لأنه ، مرة أخرى ، ATP ، فوسفات جاما ، يتم استثمار طاقته في إنشاء سداسي الفوسفات ، الفركتوز 1 ، 6 ثنائي الفوسفات حيث تشير الأرقام بوضوح إلى هويات الكربون.

والآن لدينا جزيء الفركتوز منزوع الفسفرة.

وهنا يمكنك في الواقع أن ترى ما هو ثلاثي الأبعاد ، ما نتخيله أقرب إلى الشكل الذي تبدو عليه الهياكل ثلاثية الأبعاد لهذه الجزيئات. ولا يجب أن نركز هذه المرة على ما إذا كان هذا أو هذا. لجميع الأغراض العملية ، دعنا نركز فقط على هذا المسار هنا. وهنا ، ولأول مرة ، ما يحدث الآن هو أن هذا السداسي ينقسم إلى مجموعتين ، أي إلى اثنين من سكريات الكربون الثلاثة.

وهذا رد فعل طفيف.

ينتج ، يحدث بدون استثمار الطاقة.

وهناك إنزيم ، مرة أخرى ، مطلوب لتحفيزه. لكن لنكن واضحين حقًا الآن.

الآن علينا أن نتبع مصير جزيئين.

الثلاثي الأول والثاني. لديهم أسماء مختلفة ، لكننا لن نركز على الأسماء. شيء واحد تلاحظه حول هذه الثلاثيات هو أنها قابلة للتحويل المتبادل بسهولة.

مرة أخرى ، يمكننا أن نتخيل أن لدينا موقفًا يشبه هذا. هذه تقلب ذهابًا وإيابًا.

وبالتالي ، بالنسبة لجميع الأغراض العملية من وجهة نظرنا ، فإن هذين الأمرين متكافئان لأنه يمكن تبادلهما تقريبًا بشكل فوري مع الآخر. الآن ، لقد أنفقنا بالفعل طاقة حتى الآن. لم نحصد الطاقة. لكن ، ضع في اعتبارك ، القول المأثور الاقتصادي القديم الذي يجب أن تستثمر فيه المال لكسب المال.

وهذا ما يحدث هنا. أول ما يحدث هو أن لدينا تفاعل أكسدة. ما هو تفاعل الأكسدة؟

نريد تجريد بعض الإلكترونات ، زوجًا من الإلكترونات من هذا الثلاثي المحدد ، سكر الكربون الثلاثة.

وبتجريد زوج من الإلكترونات فإننا نتبرع بالإلكترونات من NAD + إلى NADH. وهنا ترد هذه الهياكل في كتابك. ولكن اتضح أن NADH هو أن الإلكترونات يتم سحبها بعيدًا عن المثلث ويتم استخدامها لتقليل NAD + إلى NADH.

ضع في اعتبارك أنه في تفاعل الأكسدة ، يُحرم جزيء واحد يتأكسد ، ويحرم زوجًا من الإلكترونات.

الجزيء الآخر الذي يتم اختزاله ، في هذه الحالة NAD ، يكتسب زوجًا من الإلكترونات. ويمكنك التركيز ، إذا أردت ، حول شحنة هذه الجزيئات ، واحدة أو أخرى. ولكن ، ضع في اعتبارك أنه في تفاعلات تقليل الأكسدة هذه ، سواء كانت مشحونة أو ناقصة ، لا علاقة لها بالموضوع. الاسم الحقيقي للعبة هو الإلكترونات. انس أمر البروتونات ، سواء كانت تحتوي على شحنة موجبة أو محايدة. الاسم الحقيقي للعبة هنا هو أنه يتم استخدام إلكترونين لاختزال هذا الجزيء إلى هذا الحد.

بالمناسبة ، الخطأ الثالث الذي نسيت أن أخبرك به من قبل ، هناك رابط مزدوج في أحد البيريميدين في الكتاب لا معنى له. كل من يجدها يحصل على جائزة ، لكن لم يكتشف أحد ماهية الجائزة حتى الآن. لذلك ، يتم تقليل هذه الرابطة المزدوجة. ترى الفرق بين هذا وهذا هنا. واتضح أن NADH هو جزيء عالي الطاقة. قيمة الشارع لـ NADH هي ثلاثة ATPs ، أي في الميتوكوندريا يمكن استخدام NADH لتوليد ثلاثة ATPs ، وهذا يستحق شيئًا. لذلك ، NADH بمفرده جزيء عالي الطاقة. لا يمكن استخدامه للعديد من الأشياء ، ولكن يمكن سحبها إلى الميتوكوندريا حيث يتم تحويلها إلى ثلاثة ATPs.

لذلك ، نقول ، حسنًا ، لقد بدأنا في جني بعض المال من هذا الاستثمار لأننا قمنا ، في الواقع ، بعمل هذه NADHs.

انظر هنا. لماذا نقول اثنين من NADHs؟

لأن هناك مجموعتين من الثلاثيات التي نعمل معها ، وكل واحد من الثلاثيات يمنحك NADH. لذا ، كل ما يحدث بعد ذلك ، بدءًا من الأعلى هنا ، يتضاعف الآن لأننا ننظر إلى السلوكيات المتوازية لاثنين من سكريات الكربون المتماثلة الثلاثة.

لذا ، فقد أنشأنا هنا حتى الآن ، من حيث المبدأ ، ستة من ATPs.

كم استثمرنا بالفعل حتى هذه النقطة؟ اثنين.

استثمرنا اثنين لكننا حصدنا ستة. لقد بدأنا بالفعل في جني القليل من المال لأنني أخبرتك أن القيمة السوقية لـ NADH هي ثلاثة ATPs في السوق السوداء. حسنًا ، ماذا سيحدث بعد ذلك؟

التالي هو شيء جيد آخر. كل من الثلاثيات ، يمكن للمرء أن يتسبب في الواقع في كل من الثلاثيات لتوليد جزيء ATP من ADP. ماذا يحدث هنا؟

اتضح أن هذا الفوسفات الموجود هنا هو في الواقع في حالة طاقة عالية جدًا ، في جزء ليس صغيرًا بسبب تنافر الإلكترون سالب-سالب. ومن خلال تجريد هذا الفوسفات من هذا الفوسفات عالي الطاقة الذي تم تجريده من هذا الجزيء هنا ، والذي سنتجاهل اسمه ، يتيح لنا فسفرة ATP.

ونظرًا لوجود اثنين من عمليات التحويل الثلاثية ، فسنحصل على اثنين من ATPs. لذلك ، في الواقع ، نحن الآن بالفعل في المقدمة. بدأنا في استثمار اثنين ، واستردنا ستة من NADHs ، واستردنا اثنين هنا.

لذلك ، صنعنا اثنين من ATPs. هذا أمر جيد. ضع في اعتبارك أن ADP هي طاقة أقل ، أما ATP فهي طاقة عالية. مرة أخرى ، لدينا أزمرة حيث يكون هذان الجزيئان في حالات مماثلة هنا وهنا ، حيث يقفز الفوسفات إلى هذه الحالة. ويتحلل هذا تلقائيًا ونحصل على هذا الجزيء هنا ، phosphoenolpyruvate في النهاية.

ومرة أخرى ، نحصد اثنين من ATPs ، واحد من ATP من كل من الثلاثيات. وننتهي ، في نهاية هذا التفاعل ، بالبيروفات. وستقول أن هذا رائع لأننا استثمرنا اثنين من ATPs ، وحصدنا أربعة ، بالإضافة إلى أننا حصلنا على ستة من NADHs ، أليس كذلك؟ اثنين من NADH ، كل NADH يعطينا ثلاثة لكل منهما ، لذلك دعونا نجري العملية الحسابية. لنقم بالميزانية العمومية. لقد استثمرنا في البداية ، مع جلوكوز واحد ، استثمرنا اثنين من ATPs. كان ذلك في وقت مبكر. ثم كان العائد أول اثنين من NADHs ، والتي أخبرتك أنها تساوي ستة ATPs. لأن NADH تساوي ثلاثة ATPs.

هذا جيد حتى الآن. والآن بعد ذلك قمنا بعمل أربعة ATPs بحيث يبدو صافي العائد مفيدًا جدًا. ستة زائد أربعة يساوي عشرة ناقص اثنين ، ربح ثمانية ATPs من جزيء جلوكوز واحد.

قد تقول هذا رائع ، لكن هناك مشكلة.

هناك خدعة. إذا حدث تحلل السكر في غياب الأكسجين ، إذا حدث ذلك ، فسنواجه مشكلة هنا ، لأن الطريقة الوحيدة التي يمكن بها لـ NADHs توليد ATP هي إذا كان هناك أكسجين لأخذ أزواج الإلكترونات هذه واستخدامها لتقليل جزيء الأكسجين . هذا ، بالمناسبة ، جزء من سبب تنفسنا. ضع في اعتبارك أنه عند إنشاء NADH من جزيء NAD ، فأنت بحاجة إلى تجديد NAD.

لا يمكنك فقط تجميع المزيد والمزيد من NADHs. تحتاج إلى تجديد NAD. وبالتالي ، فإن NADH هذا ، مع أزواج الإلكترونات الخاصة بهم ، يكون لأزواج الإلكترون بعضًا للتخلص منها. يجب عليك تجديد NAD. لا يمكنك فقط صنع المزيد والمزيد من هذا. إذن ، كيف تتخلص منه الخلايا؟

حسنًا ، كيف يتخلصون منه بسيط.

تأخذ أزواج الإلكترونات وتضعها على الأكسجين ، وهذا ما يسمى بالفعل الاحتراق. وتحصل على الكثير من الطاقة من ذلك. ولكن ماذا يحدث إذا حدث كل هذا بشكل لا هوائي؟

اللاهوائية تعني أن التفاعل يحدث في غياب الأكسجين.

حسنًا ، إذا كان لديك خميرة تنمو على عمق 14 قدمًا تحت الأرض ، فهذا يحدث بشكل لا هوائي. إذا كان لديك خميرة يتم تخميرها في برميل كبير لصنع النبيذ أو البيرة ، فمن المحتمل أيضًا أن يحدث ذلك بشكل لا هوائي. إذا بدأت في الجري لمسافة 100 ياردة ، أو لنفترض أنه كان عليك الركض لمسافة ميل ، فسيكون هناك في البداية ما يكفي من الأكسجين ، وهناك الكثير من الأكسجين حولك للسماح لك بالتخلص من NADHs وتفريغ الإلكترونات التي حصلوا عليها. جزيء الأكسجين. وهذا جيد.

هذا يستحق الكثير لأنه ، في الواقع ، ما تفعله هو أنك تأخذ الأكسجين والهيدروجين وتقوم بحرقهما معًا.

وهذا رائع. ولكن عندما تبدأ في الجري في الشارع ، سرعان ما ينفد إمداد الأكسجين لعضلاتك ، وسرعان ما يحدث الكثير من إنتاج الطاقة في عضلاتك بطريقة لاهوائية. لماذا ا؟ نظرًا لأنه لا يمكنك الحصول على الأكسجين بسرعة كافية لعضلاتك ، وبالتالي ، لفترة من الوقت ، تبدأ في الشعور بالحرقان في عضلاتك لأن أكسدة NADH لا تحدث. وبدلاً من ذلك ، يتم تجديد NADHs بطريقة أخرى. كيف يتم تجديدها؟ يجب أن يتم إلقاء أزواج الإلكترون من NADH على هذا الجزيء هنا ، البيروفات. لم يتم استخدامها لصنع ATP لأنه لا يمكن استخدامها لصنع ATP لأنه لا يوجد أكسجين حولها لقبول أزواج الإلكترونات التي اكتسبتها NADH.

وهكذا ، ماذا يحدث مع هذه NADHs القيمة؟

لا يحدث هذا في ظل الظروف اللاهوائية.

يتم استخدام NADHs بدلاً من ذلك ، يتم التبرع بإلكتروناتهم لصديقنا البيروفات هنا ، سكر الكربون الثلاثة.

وما يحدث ، عندما يتم التبرع بها مرة أخرى إلى البيروفات ، من أجل تجديد NAD ، فأنت بحاجة إلى المزيد من NAD لالتقاطه لاستخدامه لاحقًا في التفاعل ، لاستخدامه مرة أخرى في رد فعل آخر.

عندما تتبرع بالإلكترونات من NADH مرة أخرى إلى البيروفات ، ماذا يحدث؟ تحصل على حمض اللاكتيك. حمض اللاكتيك هو ما يجعل عضلاتك تحترق عندما تجري بسرعة كبيرة ولا يمكنك الحصول على ما يكفي من الأكسجين لبدء حرق NADH.

لذلك ، بدلاً من استخدام NADH لتوليد ATP ، يتم تحويله لإنتاج حمض اللاكتيك. هذا جيد بمعنى ما لأنك تقوم بتجديد NAD.

لماذا تحتاج إلى تجديد NAD؟ لأنك بحاجة إلى الكثير من NAD حول الخطوات السابقة في التفاعل. ضع في اعتبارك ، في وقت مبكر من رد الفعل ، تحتاج إلى NAD هنا. إذا لم تقم بتجديده ، فإن تحلل السكر يتوقف. لذلك ، على الرغم من أنك تقوم بعمل NADH وهو أمر جيد من حيث المبدأ ، إلا أنه من الناحية العملية يجب إعادة تدويره.

وإذا لم يتم إعادة تدويرها لصنع المزيد من NAD الجديد للسماح بحدوث هذه الخطوة ، فسيتم إيقاف تفاعل حال السكر بالكامل وستكون في حالة من الفوضى. ومع ذلك ، للأسف ، في حالة عدم وجود الأكسجين ، فإن الطريقة الوحيدة لإعادة تدوير هذا هو تفريغ هذه الإلكترونات وليس في الأكسجين الغني بالطاقة ، بل يتم تفريغها مرة أخرى في حمض البيروفيك لإنتاج حمض اللاكتيك.

لذا ، تقلل هذه الرابطة هنا. لذا ، تحصل على CH ، COH. يتم تقليل هذه الرابطة هنا وتحصل على حمض اللاكتيك.

لذا ، بدلاً من رابطة الكربونيل هنا لديك CH و COH هنا ، هذا تفاعل اختزال. والآن أنت قادر على تجديد NAD. والآن تقول أن هذا شيء عظيم. لكن ، ضع في اعتبارك أنه الآن رد فعل حال السكر بالكامل ، كم هو صافي ربحنا الآن؟ قبل أن أكون شماتة بشأن حقيقة أننا صنعنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين ، حققنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين من هذا. ما الذي عدنا إليه الآن؟

ما هو إجمالي العائد الصافي الآن؟ حسنًا ، لا يمكن لـ TAs الإجابة.

اثنان ، لأننا استثمرنا اثنين وخرجنا من أربعة.

وهو اثنان فقط. الآن ، لماذا هذا مثير للاهتمام؟

حسنًا ، حتى ما يقرب من ستمائة مليون سنة لم يكن هناك الكثير من الأكسجين في الغلاف الجوي. وفي حالة عدم وجود الأكسجين ، يكون هذا هو التفاعل الوحيد تقريبًا الذي يمكن استخدامه لتوليد الطاقة. ومنذ حوالي ستمائة مليون سنة ، تم التخلص من المزيد والمزيد من الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي في الغلاف الجوي.

وسرعان ما أصبح الأكسجين متاحًا للكائنات الحية مثل أسلافنا.

وبعد ذلك يمكنهم في الواقع البدء في إعادة تدوير NADH بطريقة أكثر إنتاجية. ونتيجة لما حدث ، بدلاً من أن ينتج عن تحلل السكر اثنين ، يمكننا أن نرتقي إلى هذه الثمانية النظرية لأن NADHs يمكنها الآن إيداع إلكتروناتها على الأكسجين ، وهو أمر أكثر ربحية.

في الواقع ، لقد أخبرتك الآن أنه في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكنك فقط صنع اثنين من ATPs. سأخبرك ، دون أن أعطيها لك ، أنه في وجود الأكسجين يمكنك صنع 34 لاعبًا للاعبي التنس المحترفين.

و 34 ، يمكننا أن نتفق ، أفضل بكثير من اثنين في وجود الأكسجين. لا يمكن لأشكال الحياة الأعلى أن تتطور حتى تصبح هذه الطريقة الأكثر فعالية لتوليد الطاقة متاحة. وبالتالي ، إذا كان أسلافنا الذين عاشوا منذ أكثر من ستمائة مليون سنة بطيئين للغاية ولم يكونوا أذكياء جدًا ، فإن السبب في أنهم كانوا بطيئين ولم يكونوا أذكياء جدًا هو أنهم لم يتمكنوا من توليد الطاقة التي كان مطلوبًا لدفع عملية التمثيل الغذائي بكفاءة.

التمثيل الغذائي ، التمثيل الغذائي اللاهوائي ، أنا.

. ، التي تحدث في غياب الطاقة ، غير فعالة للغاية.

إنه لا يحدث بشكل جيد. الآن ، ماذا يحدث في الواقع إذا كان لدينا أكسجين حولنا؟ حسنًا ، ما يحدث هو شيء من هذا القبيل. نأخذ البيروفات ، وهو نتاج تحلل السكر وهو هذا المسار الأكثر بدائية ، ونفرمه في الميتوكوندريا. والآن نولد من خلال هذه الدورة هنا ، والتي لا أطلب منك حفظها ، من فضلك ، لا تفعل ذلك. نقوم بتوليد التفاعلات التي تبدأ من هنا ونصل إلى هذا الناتج 34 ATP لكل جلوكوز. وجوهر دورة حامض الستريك ، الذي يحدث في الميتوكوندريا ، ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا تبدو هكذا.

ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا هي أسلاف البكتيريا التي طفت على سيتوبلازم الخلايا منذ 1.5 مليار سنة على الأرجح.

ولكن إذا نظرنا الآن إلى ما يحدث في الميتوكوندريا ، فإن البيروفات الذي أنشأناه في العصارة الخلوية ، في الجزء القابل للذوبان من السيتوبلازم يتم ضخه الآن في الميتوكوندريا ، وهناك سلسلة كاملة من التفاعلات التي تحدث هنا ، والتي تأخذ هذا ثلاثة سكر كربون. أول شيء يحدث هو أن الكربون يغلي. ثاني أكسيد الكربون ، الذي تم إطلاقه.

نحن الآن ننتقل إلى سكر كربونين. ثم يضاف سكر الكربون إلى أربعة سكر كربون ويتأكسد تدريجياً.

وبما أنه يتأكسد ، ما الذي تم فصله؟ حسنًا ، ما تم فصله ، على سبيل المثال ، هناك NADH الذي تم فصله ، وهناك ATP.

انظر ، هناك NADH الذي تم نسجه. ها هي NADH التي تم نسجها.

هنا ابن عم NADH. إنها تسمى FADH والتي تولد مرة أخرى جزيء عالي الطاقة. مرة أخرى ، تتأكسد جزيئات الكربون ، ويتم تجريد الإلكترونات واستخدامها لإنشاء هذه الجزيئات عالية الطاقة ، FADH و NADH.

بالمناسبة ، FADH ، ابن عم NADH ، لا تساوي سوى اثنين من ATPs في السوق المفتوحة. حيث إن NADH ، كما أخبرتك مرارًا وتكرارًا ، تساوي ثلاثة. وبحلول الوقت الذي نضيف فيه كل NADHs التي تم إنشاؤها بواسطة هذه الدورة وثاني أكسيد الكربون التي يتم إطلاقها ، في نهاية هذه الدورة هنا نبدأ مع اثنين من الكربون ، نضيفها إلى أربعة ونحصل على ستة جزيئات كربون .

نطلق بعض ثاني أكسيد الكربون هنا ونعود إلى أربعة سكر كربون. أضف اثنين آخرين ، اصعد إلى ستة ذرات كربون. تجول مرة أخرى ، تدور حول العجلة. وفي كل مرة نقوم بذلك ، ننتج الكثير من NADHs ، ننتج الكثير من FADHs ، وننتج الكثير من ATP. في جميع الحالات ، تعد هذه ردود أفعال مربحة للغاية لأن NADHs و FADHs يمكن استخدامها في الميتوكوندريا لتوليد ATP.لذا ، دعونا نلقي نظرة على ملف الطاقة الخاص بالشيء بأكمله. ضعها سوية. هذا هو المكان الذي بدأنا فيه في البداية ، وهذه نهاية عملية تحلل السكر ، حسنًا؟ لذلك ، نحن الآن نجمع ملفات تعريف الطاقة للتسلسل الكامل للتفاعلات التي شكلت تحلل السكر ، والتي تبدأ هنا وتنتهي هنا لأن البيروفات ، كما ستتذكر ، هي نتاج تحلل السكر ، الخطوة الأولى. تحدث دورة كريبس ، أو أحيانًا تسمى دورة حمض الستريك. لذا ، دعنا فقط نصحح هذه الكلمات. دورة حمض الستريك لأنها تصادف أنها إحدى الدورات ، أو تسمى أحيانًا دورة كريبس نسبةً إلى الشخص الذي اكتشفها حقًا ، كريبس.

تبدأ دورة كريبس هنا. ترى كيف يتغير التظليل من البيروفات. وها نحن نذهب إلى هناك. ودعونا الآن نلقي نظرة على ما يحدث من حيث تبادل الطاقة.

تذكر أنه في وقت مبكر كنا بحاجة إلى استثمار ATPs لرفع حالة الطاقة إلى هنا. لقد استثمرنا ATPs في هذه المرحلة هنا ، ثم بدأنا في استعادة بعض منها.

حصلنا على هذين NADHs ، واحد NADH يأتي من كل من سكريات الكربون الثلاثة. لقد حصلنا على المزيد من ATPs هنا وحصلنا على المزيد من ATPs هنا ، ولكن لا يمكن استخدام NADH بشكل مثمر لتوليد ATP في حالة عدم وجود الأكسجين ، ولكن في وجود الأكسجين الآن يمكننا البدء في استخدام هذه بشكل مربح للغاية. كل من هؤلاء يصنع ثلاثة ATPs وكل واحد منهم ، من الواضح ، يصنع ATPs. ثم دعونا نلقي نظرة على ما يحدث في الميتوكوندريا. ضع في اعتبارك أن هذا هو الحد الفاصل بين العصارة الخلوية والسيتوبلازم والميتوكوندريا.

هنا حيث يتم استخدام الأكسجين فعليًا وهنا ننتج كل هذه NADHs هنا وهنا وهنا ، FADHs. وما زلت أقول ، ولا يزال هذا صحيحًا ، على الرغم من الحقيقة التي أواصل قولها ، أن NADHs يمكن تحويلها إلى ATPs ، ويمكن بعد ذلك نشر ATPs ، ونقلها عبر الخلية بأكملها حيث يتم استثمارها بعد ذلك في ردود الفعل endergonic.

هنا نرى كل هذه NADHs. وانظر إلى التغيير العام في الطاقة الحرة. لم تستفد الخطوات الأولية في تحلل السكر حقًا. يحتوي الجلوكوز على ما يقرب من 680 سعرة حرارية لكل مول من الطاقة. إنه مرتفع جدًا هنا. لكن بحلول الوقت الذي ننتقل فيه من هنا إلى هنا ، هناك إطلاق هائل للطاقة ، يتم حصادها في شكل هذه الجزيئات التي يتم إعادة استثمارها بعد ذلك.

في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكن لهذا الإجراء بأكمله أن ينتقل فقط من هنا إلى أسفل إلى هنا. والكثير من هذا الانخفاض من ستة إلى سبعة لا طائل منه لأنه يتعين علينا إعادة استثمار NADH هذا.

لا يمكن استخدامها ، في الواقع ، لتوليد المزيد من ATPs ، كما قلت مرارًا وتكرارًا. لذلك ، هذا يعني في النهاية أنه يمكننا توليد كمية هائلة من الطاقة في شكل هذه التفاعلات المزدوجة. بعد قولي هذا ، دعونا نلقي نظرة على ما يحدث داخل الميتوكوندريا.

يوجد داخل الميتوكوندريا بالفعل حجرات مادية مختلفة. ترى الفضاء الأزرق هناك ، الفضاء بين الغشاء ، المساحات الزرقاء هناك؟ المصفوفة في الداخل.

يقع الفضاء بين الغشاءين ، الغشاء الداخلي والخارجي ، والخارج هو السيتوبلازم. الغشاء الخارجي ، الغشاء الداخلي ، بينهما. لذا ، انظروا إلى ما يحدث ، في الواقع ، في الميتوكوندريا. يتم استخدام هذه NADHs لضخ البروتونات من الفضاء الداخلي للميتوكوندريا إلى الفضاء بين الغشاء. أنا لا أريكم ما يحدث.

لكن عليك أن تأخذها في كلامي. إذن ، البروتونات المصورة هنا مستخرجة من NADH و FADH ، وتستخدم لضخ البروتونات هنا. وبالتالي ، تنتقل البروتونات من هنا إلى هنا.

من الواضح ، عندما تضخ البروتونات إلى الخارج ، يصبح الأس الهيدروجيني من الخارج أقل مما هو عليه في الداخل ، ولأن هناك تدرجًا ، يوجد تركيز أعلى للبروتونات هنا أكثر من الداخل.

تبدأ البروتونات في التراكم في الخارج هنا في الفضاء بين الغشاء. هل هم في السيتوبلازم؟ لا ، إنها في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. تبدأ في التراكم في هذا الفضاء الأزرق الكثير من البروتونات. وهذا ضخ البروتونات في الفراغ بين الغشاءين يتطلب طاقة ، وتأتي الطاقة من أصدقائنا NADH و FADH كما اتضح. هم مسؤولون عن التسبب في تراكم البروتونات في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. لذلك ، لدينا الآن الكثير من البروتونات هناك. وما يحدث الآن ، تحب البروتونات أن تتدفق مرة أخرى لأن هناك تركيزًا أعلى هنا لأنها داخل الفضاء الذي يسمى مصفوفة الميتوكوندريا ، داخل الميتوكوندريا. إذن ، ماذا يحدث؟

هنا ، اكتشاف آخر حائز على جائزة نوبل هو اكتشاف جزيء مثير جدًا للاهتمام ، أو مركب بروتينات يجب أن أقول ، يبدو في ثلاثة أبعاد تقريبًا مثل هذا.

وما يفعله هذا المركب هو أنه بينما تتدفق البروتونات عبر القناة الداخلية هنا ، فإنها تتحرك لأسفل على تدرج للطاقة.

إنهم ينتقلون من حالة التركيز العالي إلى حالة التركيز المنخفض. ما يفعله ذلك ، أن ضغط الانتشار هذا ينتج طاقة بالفعل.

وهذا المركب هنا يحصد هذه الطاقة من أجل تحويل ADP إلى ATP. لذلك ، عندما أتحدث عن NADH على أنه يستحق ، كل واحد منهم يستحق ثلاثة ATPs ، ما أتحدث عنه حقًا هو حقيقة أنه يمكن استخدام NADHs لضخ البروتونات في الميتوكوندريا بالخارج هنا ، ويمكن بعد ذلك استخدام هذه البروتونات يمكن بعد ذلك ضخه بهذه الطريقة من خلال مضخة البروتون هذه ، والتي تستخدم بعد ذلك ADP في التجويف الداخلي للميتوكوندريا لتكوين ATP. وهنا نحصل أخيرًا على تحويل ADP إلى ATP. يمكننا أن ندرك ، أخيرًا ، هذه الفائدة الموعودة. ثم يتم تصدير جزيئات ATP هذه من الميتوكوندريا في جميع أنحاء الخلية واستخدامها لتحريك العديد من التفاعلات. لقد واجهنا بالفعل مجموعة مهمة من التفاعلات ، وهذه التفاعلات هي بلمرة الأحماض النووية. الآن ، نقطة أخيرة أريد أن أوضحها هي التالية. لقد تحدثنا للتو عن التمثيل الغذائي ، وتحدثنا عن مسار إنتاج الطاقة في الخلية.

وقد يكون لديك الوهم ، للحظة وجيزة ، أن هؤلاء كلهم ​​، هذا هو مجموع كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية. لكن في الحقيقة ، إذا رسمنا كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية ، فإنها أكثر تعقيدًا. هنا هو مسار حال السكر. تراه هنا حيث لا يوجد شيء اسمه؟ ها هي دورة كريبس هنا.

ونحن لا نتحدث حتى عن الطاقة هنا. وبينما تتحرك الجزيئات في هذا المسار من هنا إلى هنا ومن هنا إلى هنا ، يتم تحويل بعض هذه الجزيئات لتطبيقات أخرى.

ليس لإنتاج الطاقة ولكن للتطبيقات الأخرى.

وما يحدث هنا ، يتم تحويلهم من خلال سلسلة من الخطوات الكيميائية الحيوية المعقدة إلى جزيئات بيولوجية أساسية أخرى. ماذا أعني بذلك؟

إذا أعطيت بكتيريا E. coli ، فإنك تعطيها مصدرًا بسيطًا للكربون مثل الجلوكوز وتعطيها الفوسفات وتعطيها مصدرًا بسيطًا للنيتروجين مثل أسيتات الأمونيوم أو أي شيء ، يمكن للإشريكية القولونية ، من تلك الذرات البسيطة أن تولد كل الأحماض الأمينية ، يمكن أن تولد البيورينات والبيريميدين ، ويمكن أن تولد جميع أنواع الجزيئات البيولوجية المعقدة المختلفة فقط من تلك اللبنات البسيطة. وبالتالي ، فإن عملية التخليق الحيوي لا تتضمن فقط إنشاء الجزيئات الكبيرة ، بل إن هذه الخطوات لما يسمى التمثيل الغذائي الوسيط تُستخدم لتجميع جميع الكيانات الكيميائية الحيوية الأخرى التي يحتاجها المرء لصنع خلية. يتم استخدامها لتصنيع البيورينات والبيريميدين.

يتم استخدامها لتخليق الدهون ، وتستخدم لتصنيع الأحماض الأمينية ، وتستخدم لتجميع مئات المركبات الأخرى حرفيًا. وعندما نرى هذا الرسم البياني مثل هذا ، ولا أحد على وجه الكوكب قد حفظ هذا الرسم البياني ، فإن كل خطوة من هذه الخطوات ، الانتقال من جزيء إلى آخر ، تمثل تفاعلًا كيميائيًا حيويًا آخر. وتنتقل الغالبية العظمى من هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية من A إلى B إلى C إلى D.

تتطلب كل خطوة من هذه الخطوات تدخل إنزيم ، وهو محفز متخصص لتلك الخطوة بالذات.

لذلك ، يبدأ هذا في إعطائك تقديرًا لعدد الخطوات البيوكيميائية المميزة التي يحتاجها المرء في الخلية. الأرقام التي من المحتمل أن تصنع خلية بسيطة ، ربما تحتاج إلى حوالي ألف تفاعل كيميائي حيوي مميز ، كل واحدة منها تتطلب تدخل إنزيم. والعديد من هذه الخطوات ، والأهم من ذلك ، أن العديد من هذه الخطوات البيوكيميائية هي تفاعلات مفعمة بالحيوية. من أين يحصلون على الطاقة لدفع ردود الفعل هذه إلى الأمام إذا كانت مفعمة بالحيوية؟ ATP. لذا ، فإن ATP من فرن توليد الطاقة بالأسفل هنا هو ثم ينتشر في جميع أنحاء الخلية لتشغيل كل هذه التفاعلات المستهلكة للطاقة. اتمنى لك نهايه اسبوع جميله.


التفاعلات الكيميائية الحيوية والطاقة والإنزيمات

قم بتنزيل الفيديو من iTunes U أو Internet Archive.

أردت فقط قضاء الدقائق الأولى والثانية في توضيح ثلاث قضايا. لا شيء يمثل مشكلة مفاهيمية كبيرة ، لكننا نود التركيز على التفاصيل وتصحيحها ، وتصحيحها هنا أيضًا.

أولاً ، لقد أخطأت في رد فعل آخر مرة وصفت فيه سبب كون الحمض النووي الريبي قابلاً للتغير القلوي ، أي إذا كان لدينا درجة حموضة عالية ، فإننا نسمي ذلك الرقم الهيدروجيني القلوي ، أو الرقم الهيدروجيني القلوي ، في الواقع ، لاستخدام الصفة. وقلنا أن مجموعات الهيدروكسيل يمكن أن تسبب انشقاق روابط الفوسفوديستر في الحمض النووي الريبي ولكن ليس الحمض النووي. والطريقة التي وصفت بها حدوث ذلك هي أن المجموعة القلوية تتسبب في تكوين هذه الحلقة المكونة من خمسة أعضاء هنا ، كربونين ، واثنين من الأكسجين والفوسفات. وهذا ينتهي في النهاية إلى هذا حيث لم يعد هناك أي اتصال مع أحادي الفوسفات الريبونوكليوزيد أدناه. وقد رسمته على هذا النحو ، بدون أكسجين ، وهذا أمر غير مقبول لأنه ، في الواقع ، في الحقيقة ، وكما التقط الكثير منكم ، يعود هذا إلى اثنين من الهيدروكسيل الأساسي. لذا ، يرجى ملاحظة أن هناك خطأ. هناك أيضًا بعض الأخطاء الأخرى. على سبيل المثال ، في الكتاب المدرسي يمنحك الانطباع أنه عند بلمرة الأحماض النووية ، فإنك تستخدم أحادي الفوسفات للقيام بذلك.

وإذا استمعت إلى محاضرتي في المرة الأخيرة ، فهذا لا معنى له ، لأنك بحاجة إلى استثمار طاقة ثلاثي الفوسفات من أجل توليد طاقة كافية لتوليد طاقة كافية للبلمرة. الكتاب المدرسي غير صحيح هناك.

الكتب المدرسية كتبها الناس ، في السراء والضراء ، وعلى هذا النحو ، مثل كل شيء آخر ، فهي مميتة وغير معصومة. لذا ، فإن حقيقة الأمر هي ، عندما تقوم ببلمرة الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، فإنك تحتاج إلى واحد من أربعة ريبونوكليوزيد أو ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد من أجل التبرع بالطاقة التي تجعل هذه البلمرة ممكنة.

ويرجى ملاحظة أن هذا خطأ في الكتاب. تذكر ، كما قلت في المرة السابقة ، حقيقة أن ATP هو حقًا عملة الطاقة في الخلية ، وأن طاقته مخزنة وملفوفة في هذا الزنبرك المكبوت حيث يحمل التنافر الكهروستاتيكي المتبادل بين الفوسفات الثلاثة سالبة الشحنة معها. طاقة كامنة هائلة.

ويمكن تحقيق بعض هذه الطاقة الكامنة ، أثناء تخليق بلمرة الأحماض النووية عن طريق شق هذه الرابطة هنا. يمكن للمرء أيضًا أن يولد طاقة كامنة عن طريق شق هذه الرابطة هنا. هذا هو ألفا وبيتا وغاما فوسفات. ويمكن أن يؤدي انقسام أي منهما إلى توليد طاقة كبيرة ، والتي بدورها يمكن ، كما سنشير قريبًا ، استثمارها في تفاعلات أخرى. تفاعل البلمرة. النقطة الثانية التي أود أن أوضحها لكم هي التالية ، وستقولون إنها نوع من المصادفة. عملة الطاقة في الخلية هي ATP ، أدينوزين ثلاثي الفوسفات ، ونرى هيكلها هنا ، ويصادف أن يكون هذا أحد السلائف الأربعة للحمض النووي الريبي.

لذلك ، يتم استخدام نفس الجزيء في هذين التطبيقين المختلفين غير المرتبطين بشكل ظاهري. الأول ، البلمرة لصنع RNA حيث يتم تخزين المعلومات الجينية ونقلها.

أو ، بدلاً من ذلك ، يتم استخدامه هنا في هذا السياق ليكون بمثابة عملة للطاقة. طاقة عالية مثل ATP. ADP مع القليل من الطاقة. أحادي الفوسفات AMP مع طاقة أقل. وقد تسأل نفسك ، حك رأسك وقل لماذا يستخدم نفس الجزيء لهذين الشيئين المختلفين؟

في الواقع ، هناك تطبيقات أخرى لهذه الريبونوكليوسيدات والتي يبدو أيضًا أنها لا علاقة لها بتخزين أو نقل المعلومات الجينية. ومن المعتقد ، على الأرجح ، أن السبب وراء استخدام نفس الجزيء لهذه التطبيقات المختلفة تمامًا هو أنه في وقت مبكر من تطور الحياة على هذا الكوكب ، كان هناك بالفعل عدد قليل من الجزيئات البيولوجية التي كانت موجودة. في الواقع ، كما سنذكر مرة أخرى لاحقًا ، من المحتمل أن الكائنات الحية الأولى لم تستخدم الحمض النووي كجينومات. إنها مقالة إيمانية معنا أن المرء يخزن المعلومات الجينية في جزيئات الحمض النووي.

وأشرت إلى ذلك بشكل صريح في المرة الأخيرة. ولكن ، حقيقة الأمر ، ربما تكون الحالة هي أن الكائن الأول ، أول أشكال الحياة ما قبل الخلوية ، استخدم الحمض النووي الريبي كمواد وراثية ، RNA لتخزين الأشياء ، ونسخ الحمض النووي الريبي عبر جزيئات RNA مزدوجة الشريطة كطريقة للأرشفة. المعلومات الجينية. وفقط في وقت لاحق أثناء تطور الحياة على هذا الكوكب ، عندما لم يكن ذلك ممكنًا ، ولكن كان من الممكن أن يكون بعد مائة أو مائتي عام. من الواضح ، إذا كنا نتحدث عن أصل الحياة منذ ما بين 3 و 3.5 مليار سنة ، فلا يمكننا تحديد ذلك في الوقت المناسب جيدًا ، ولكن لاحقًا فقط تم تكليف الحمض النووي بوظيفة التخزين ، بطريقة مستقرة ، المعلومات الجينية. ونتيجة لذلك ، أدركنا أيضًا اكتشافًا آخر ، وهو أن جميع المحفزات التي سنتحدث عنها اليوم ، الإنزيمات كما نسميها ، تقريبًا كل إنزيمات العصر الحديث هي بروتينات. وتحدثنا عنها بإيجاز من قبل. ولكن على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، و 20 عامًا ، كان هناك اكتشاف أن جزيئات معينة من الحمض النووي الريبي تمتلك أيضًا القدرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. عندما كنت أدرس الكيمياء الحيوية ، لو أخبرني أحدهم بذلك ، كنت سأستدعى جناح الطب النفسي لأن هذه كانت فكرة غريبة.

كيف يمكن لجزيء الحمض النووي الريبي أن يحفز تفاعل كيميائي حيوي؟

لا تحتوي على كل المجموعات الجانبية التي يحتاجها المرء لإنشاء المواقع المحفزة للتفاعلات. لكننا ندرك الآن ، على أساس البحث الذي أدى في الواقع إلى منح جائزة نوبل منذ حوالي خمس سنوات ، أن جزيئات الحمض النووي الريبي قادرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. ويبدأ ذلك في إعطائنا نظرة ثاقبة حول كيفية نشأة الحياة على هذا الكوكب لأن جزيئات الحمض النووي الريبي ربما تكون قد خزنت المعلومات الجينية ، كما قلت سابقًا ، ربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي ، أو سلائفها مثل ATP ، هي عملتها لتخزين روابط الطاقة العالية ، مثل يشار هنا.

وربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) هي الإنزيمات الأولى التي تحفز العديد من التفاعلات في أكثر أشكال الحياة بدائية التي وجدت لأول مرة على هذا الكوكب. وبالتالي ، ما أقوله هو أنه مع تطور الحياة في أول مائة أو مائتي مليون سنة ، ومن يدري كم من الوقت استغرقت ، تولى الحمض النووي تدريجياً مهمة تخزين المعلومات من الحمض النووي الريبي ، وتولت البروتينات تدريجياً مهمة وسيط الحفز ، من العمل كأنزيمات لتولي المهمة من جزيئات الحمض النووي الريبي. يوجد اليوم بعض التفاعلات الكيميائية الحيوية الأثرية التي نعتقد أنها بقايا ، أصداء لبداية الحياة على الأرض ، والتي لا تزال تتوسط فيها محفزات الحمض النووي الريبي. نعتقد أنها تمثل ارتدادًا إلى هذه الخطوات المبكرة جدًا ، ربما حتى في شكل الحياة ما قبل الخلوية حيث تم تفويض الحمض النووي الريبي بمهمة العمل كمحفز.

سنركز اليوم كثيرًا على قضية التفاعلات الكيميائية الحيوية بأكملها ومسألة الطاقة. وهذا يجعلنا ندرك أن هناك بالفعل نوعين من التفاعلات الكيميائية الحيوية.

ربما تعلم البعض منكم هذا منذ وقت طويل.

إما التفاعلات الباهظة التي تطلق الطاقة ، والتي تنتج الطاقة أثناء تقدمها ، أو على العكس من تفاعلات الطاقة التي تتطلب استثمارًا للطاقة من أجل المضي قدمًا.

لذلك ، من الواضح هنا ، إذا كانت هذه حالة طاقة عالية ونتحدث عن الطاقة الحرة للنظام ، وهي إحدى الطرق لتصوير اللغة الديناميكية الحرارية مقدار الطاقة الموجودة في الجزيء ، إذا انتقلنا من طاقة عالية الحالة إلى حالة طاقة منخفضة ثم يمكننا رسم هذا مثل هذا ويمكننا أن ندرك أنه من أجل الحفاظ على الطاقة ، الطاقة الكامنة في هذا الجزيء ، يتم إطلاق الطاقة الكامنة العالية عندما تتدحرج هذه الكرة أو هذا الجزيء أسفل التل. وبالتالي ، ينتج التفاعل طاقة ، إنها طاقة. وعلى العكس من ذلك ، إذا أردنا أن يستمر رد الفعل هذا ، فنحن بحاجة إلى استثمار الطاقة الحرة من أجل تحقيق ذلك. تحدث الطاقة الحرة ، في أغلب الأحيان ، في شكل روابط كيميائية ، أي الطاقة التي يمكن استثمارها ، على سبيل المثال ، من خلال الاستفادة من الطاقة الكامنة المخزنة في الفوسفاتيستر ، في روابط الفوسفات والفوسفات المشار إليها بشكل صحيح هنا.

هنا ، بالمناسبة ، نموذج ملء الفراغ من ATP لمعلوماتك فقط. هذه هي الطريقة التي ستبدو بها في الحياة ، وهذه هي الطريقة التي نرسمها بها.

الآن ، بعد قولي هذا ، إذا نظرنا إلى ملف الطاقة الحرة للتغيرات الكيميائية الحيوية المختلفة ، فيمكننا تصويرها ، مرة أخرى ، بهذه الطريقة التخطيطية للغاية هنا.

وبالمناسبة ، يُطلق على الطاقة المجانية اسم G ، طاقة Gibbs المجانية بعد Josiah Gibbs الذي كان ساحرًا ديناميكيًا حراريًا في القرن التاسع عشر في Yale في New Haven. وهنا ما نراه هو أن التغير في الطاقة الحرة بين المواد المتفاعلة والنواتج تعطى بواسطة دلتا ج.لذلك ، بحكم التعريف ، نبدأ التفاعل مع المواد المتفاعلة.

وننتهي في نهاية التفاعل مع المنتجات.

وبشكل عام ، إذا كان التفاعل مفرط الطاقة وسيستمر إلى الأمام ، فإنه يطلق طاقة. ويشار هنا إلى الإطلاق الصافي للطاقة بواسطة دلتا ج.ولكن ، في أغلب الأحيان ، التفاعلات الكيميائية الحيوية التي يفضلها بقوة ، والتي تكون طاردة للطاقة في الواقع لا يمكن أن تحدث بشكل عفوي.

لا تحدث بشكل عفوي لأنه ، لأسباب مختلفة ، يجب أن تمر عبر حالة وسيطة.

والذي يمثل في الواقع طاقة حرة أعلى بكثير مما تمتلكه المواد الأولية المتفاعلة. وهذه الطاقة الحرة الأعلى ، التي يحتاجون إلى اكتسابها من أجل التحرك فوق التل ونزولاً إلى الوادي ، تسمى طاقة التنشيط ، طاقة التنشيط.

وبالتالي ، إذا كنت سأزود هذه المواد المتفاعلة بالطاقة ، على سبيل المثال ، فلنفترض أنني كنت سأقوم بتسخين هذه المواد المتفاعلة ومن ثم أعطيها درجة أعلى من الطاقة الحرارية التي قد تكون قادرة على استخدامها للانتقال إلى هذه الطاقة العالية حالة.

لقد زودتهم بالطاقة المجانية من خلال إعطائهم الحرارة.

ثم قد يتمكنون من التحرك صعودًا إلى هنا ثم التدحرج إلى أسفل التل.

ولكن في حالة عدم التدخل الفعلي وتزويدهم بتلك الطاقة ، سيبقون هنا ، وقد يظلون هناك لمليون سنة ، على الرغم من أنه من حيث المبدأ ، إذا وصلوا إلى هنا ، فسيكونون أكثر سعادة. من حيث الوصول إلى حالة طاقة أقل بكثير. لتوضيح ما هو واضح ، ترغب كل هذه الأنواع من ردود الفعل في الوصول إلى أدنى حالة طاقة ممكنة. لكن في الوقت الفعلي لا يمكن أن يحدث ذلك إذا كانت هناك طاقة تنشيط عالية. الآن ، ماذا تفعل الإنزيمات؟

كالعادة ، أنا سعيد لأنني طرحت هذا السؤال. ما يفعلونه هو أنهم يقللون من طاقة التنشيط.وهذا واضح من ناحية ، وهو خفي بمعنى ما ، لأن الإنزيمات ليس لها أي تأثير على حالة الطاقة الحرة للمتفاعلات ، وليس لها أي تأثير على الطاقة الحرة للمنتجات. كل ما يفعلونه هو خفض الحدبة ، وقد يخفضونها بشكل كبير جدًا.

ولأنها تخفضها بشكل كبير ، فقد تكون بعض المواد المتفاعلة هنا ، فقط من خلال فرصة اكتساب الطاقة الحرارية ، قادرة على التحرك فوق الحدبة المنخفضة للغاية والانتقال إلى هذه الحالة هنا. الآن ، الفرق الفعلي في طاقة جيبس ​​الحرة لم يتأثر إطلاقا.

كل ما يحدث هو أن الإنزيم ، عن طريق خفض طاقة التنشيط ، يجعل ذلك ممكنًا في الوقت الفعلي. الحقيقة هي أنه في النهاية ، إذا كان على المرء أن يرسم أنواعًا عديدة من التفاعلات ، فإن العديد من التفاعلات ، كما هو موضح هنا ، لها طاقة تنشيط عالية جدًا ، وبالتالي ننظر إليها على هذا النحو. ولكن يمكن أن تكون هناك تفاعلات أخرى قد يكون لها طاقة تنشيط تبدو مثل هذه ، لا شيء على الإطلاق. ويمكن أن تحدث هذه التفاعلات بشكل عفوي في درجة حرارة الغرفة في غياب أي تدخل بواسطة الإنزيم. على سبيل المثال ، لنفترض أننا نتحدث عن مجموعة كربوكسيل تطلق بروتونًا. لقد تحدثنا عن ذلك بالفعل. حسنًا ، هذا التفاعل يحدث تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة. لا يحتاج إلى إنزيم لتحقيق ذلك. يمكن أن يحدث لأنه لا يوجد في الأساس طاقة التنشيط. لكن الغالبية العظمى من التفاعلات الكيميائية الحيوية لديها طاقة تنشيط كهذه ، وبالتالي تتطلب خفضًا مثل هذا من أجل الحدوث.

الآن ، دعنا نتخيل إصدارات أخرى من ملف تعريف الطاقة للتفاعل.

وتذكر أن ما أعرضه هنا على الإحداثي هو مجرد مسار رد الفعل. يمكنك أن تتخيل أنني لا أخطط للوقت حقًا. أنا أتحدث فقط عن موقف لم يحدث فيه رد الفعل على اليسار وحدث ذلك على اليمين. هل يمكنك رؤية هذا هناك؟ ثم لن أكتب هناك. حسنا. دعونا نرى إذا كان هذا يعمل.

يا فتى ، نحن هنا في القرن الحادي والعشرين وما زلنا لم ننجح في حل هذه المشكلة.

نعم. يمكن للجميع رؤية هذا هنا ، أليس كذلك؟ نعم.

اذا انظر. لنتخيل أن لدينا رد فعل يشبه هذا ، ملف تعريف رد فعل يشبه هذا ، حيث تتكافئ هاتان الطاقتان في الواقع. نعم؟ لقد حاولت الرسم عليها.

حسنًا ، إنهم ليسوا بالضبط ، لكنهم إلى حد كبير على نفس المستوى تمامًا. ولنفترض أننا بدأنا بعدد كبير من الجزيئات هنا. الآن ، إذا كان هناك إنزيم في الجوار ، فإن الإنزيم قد يقلل من طاقة التنشيط ، وبذلك ، يجعل من الممكن للجزيئات أن تخترق هذا التل وتتحرك هنا. حقيقة أنه عندما ينتقل الجزيء إلى هنا يكون لديه نفس الطاقة الحرة الموجودة هناك ، فإن ذلك يعني أن المحفز ، من حيث المبدأ ، قد يسهل أيضًا التفاعل الخلفي.

ماذا أعني برد الفعل الخلفي؟ أعني الذهاب في الاتجاه المعاكس بالضبط. وهكذا ، بمجرد أن تتشكل الجزيئات هنا ، فإن تأثير خفض الطاقة للإنزيم قد يسمح لها بالتحرك في كلا الاتجاهين. وبالتالي ، فإن ما سنحصل عليه في النهاية هو إقامة توازن.

إذا كانت حالتا الطاقة هاتان متساويتان ، سأخبرك ، أن 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا و 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا. وها نحن نبدأ الآن في الصراع بين مفهومين مستقلين مختلفين ، معدل التفاعل وحالة توازن التفاعل.

لاحظ أن الإنزيم ليس له أي تأثير على الإطلاق على حالة التوازن.

هذان هما في طاقات حرة متساوية ، حالة التوازن.

سواء كان حاجز الطاقة مرتفعًا أو ما إذا كان هذا الارتفاع غير ذي صلة. الحقيقة هي أنه إذا كان الإنزيم يجعل هذه الحركة ممكنة ذهابًا وإيابًا ، فإن حالة التوازن النهائية ستكون 50٪ من الجزيئات هنا و 50٪ من الجزيئات هناك.

وبالتالي ، يؤثر الإنزيم حقًا فقط على معدل حدوث التفاعل. هل سيحدث في جزء من الثانية أم سيحدث في يوم واحد أم سيحدث في غضون مليون سنة؟

لا يؤثر الإنزيم على الإطلاق على المنتج النهائي ، وهو في هذه الحالة التوازن.

بالطبع ، هناك شكليات رياضية بسيطة تربط الاختلاف في الطاقات الحرة بالتوازن.

هنا قد يكون لدينا موقف حيث ينتهي 80٪ من الجزيئات بالتوازن هنا وينتهي الأمر بـ 20٪ هنا. أو ، قد ينتهي بنا الأمر كحالة حيث ينتهي 99٪ من الجزيئات هنا و 0.

٪ من الجزيئات تنتهي هنا. لكن حالة التوازن النهائية هذه لا تتأثر بأي حال من الأحوال بالإنزيم. إنهم فقط يحققون ذلك في الوقت الفعلي. وبالتالي ، لتكرار وترديد النقطة التي أشرت إليها في المرة الأخيرة ، إذا كانت معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية ستحدث في الوقت الفعلي ، أي في ترتيب الثواني أو الدقائق ، يجب أن يكون الإنزيم موجودًا للتأكد من حدوثها.

في غياب مثل هذا الإنزيم من التوسط ، لن يحدث ذلك في الوقت الفعلي. على الرغم من أنها مفضلة بقوة من حيث المبدأ. لذا ، دعنا فقط نضع ذلك في الاعتبار أثناء المناقشات التي تحدث. ودعونا نبدأ الآن في إلقاء نظرة على تفاعل مهم لتوليد الطاقة في الخلية يسمى تحلل السكر. نحن نعلم بالفعل البادئة glycol.

يشير جليكو إلى السكر. والتحلل ، L-Y-S-I-S يشير إلى انهيار مركب معين. لن أسألك ، ولن يطلب منك أي شخص آخر في الغرفة حفظ تسلسل ردود الفعل هذا. لكني أود منكم أن تنظروا إليها وتروا الدروس المستفادة التي يمكننا استخلاصها من ذلك ، ما هي الحكمة التي يمكن أن نتعلمها من النظر إلى مثل هذه السلسلة المعقدة من ردود الفعل. ربما ، أول شيء يمكن أن نتعلمه هو أنه عندما نفكر في التفاعلات الكيميائية الحيوية ، لا نفكر فيها على أنها تحدث منعزلة. أتحدث هنا ، على سبيل المثال ، في هذه الحالة يمكن أن أتحدث عن A زائد B بالذهاب إلى C زائد D ، وقد يكون هناك رد فعل خلفي للوصول إلى التوازن.

ونحن فقط نعزل رد الفعل البسيط هذا عن كل الآخرين من حوله.

لكن في العالم الحقيقي في الخلايا الحية ، تكون معظم التفاعلات أجزاء من مسارات طويلة جدًا حيث تشير كل خطوة من هذه الخطوات هنا إلى أحد الخطوات الأخرى ، وهي خطوة في المسار. ما يهمنا هنا هو كيفية تفكيك الجلوكوز ، الذي أعلنت عنه قبل محاضرتين كمصدر مهم للطاقة.

كيف تحصد الخلية الطاقة ، الكامنة في الجلوكوز ، من أجل توليد ، من بين أمور أخرى ، ATP ، والتي قلناها مرارًا وتكرارًا هي عملة الطاقة؟ يتم استخدام ATP بواسطة مئات التفاعلات الكيميائية الحيوية المختلفة من أجل تحقيقها.

هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية الأخرى هي تفاعلات مفعمة بالحيوية ، وتتطلب استثمارًا للطاقة ، وبشكل ثابت تقريبًا ، ولكن ليس دائمًا ، ولكن تقريبًا ستمسك الخلية بجزيء ATP ، وتكسرها عادةً إلى AMP أو ADP.

ومن ثم استخدام الطاقة ، المستمدة من تحطيم ATP ، سوف تستثمر هذه الطاقة في تفاعل endergonic ، والذي لن يحدث لولا ذلك. لذا ، نصل هنا إلى فكرة أنه ربما من خلال استثمار الطاقة في تفاعل ما ، يتغير التوازن. لأنه من خلال استثمار الطاقة ، في الواقع ، تكون الخلية قادرة على خفض حالة الطاقة الحرة بين هذين الاثنين.

وهذا يجعل من الممكن أن يكون توازنهم أفضل بكثير.

لنلقِ نظرة على مسار التحلل السكري هذا. من الواضح أن حال السكر يشير إلى تحلل السكر. وهنا نبدأ بالجلوكوز.

نحن نرسمه بشكل مسطح بدلاً من الهيكل الدائري الذي تحدثنا عنه في المرة السابقة. ودعونا نلقي نظرة على ما يحدث هنا ، مرة أخرى ، ليس لأن أي شخص يريدك أن تحفظ هذا ، ولكن لأن بعض التفاصيل في حد ذاتها توضيحية للغاية.

الهدف من هذا التمرين هو إنتاج ATP للخلية ، لكن الخطوة الأولى في التفاعل تأتي في الواقع بنتائج عكسية تمامًا. انظر إلى أول شيء يحدث. أول شيء يحدث هو أن الخلية تستثمر جزيء ATP لصنع الجلوكوز 6 فوسفات.

لقد أعلنت أن الهدف من ذلك هو إنتاج ATP من ADP ، ثنائي فوسفات الأدينوزين. لكن أول شيء هنا ، هذا هو تفاعل مفاجيء حيث تستثمر الخلية الطاقة لتكوين هذا الجزيء هنا. لذا ، هذا غير منطقي.

لكن ظاهريًا يجب أن يكون منطقيًا ، على مستوى أو آخر ، لأنك وأنا ، نحن جميعًا هنا ، والجميع في هذه الغرفة ، على الأقل هذه اللحظة نشطة في التمثيل الغذائي.

حسنا. إذن ، لدينا هذا الجزيء هنا ، الجلوكوز 6 فوسفات. وهذا يمكن أن يتشابه.

ترى ، هنا جلوكوز 6 فوسفات ، فركتوز 6 فوسفات.

وحقيقة الأمر أنه لا يوجد تفاعل اختزال للأكسدة هنا. إنها مجرد أزمرة.

وهذا الجزيء وهذا الجزيء في نفس حالة الطاقة الحرة تقريبًا. يحدث أن يكون ملفهم الشخصي يشبه إلى حد كبير الملف الشخصي الذي رسمته لك من قبل. سيبدو ملف الطاقة الخاص بهم هكذا. ويحتاج المرء إلى إنزيم لخفضه ، لكن لا توجد طاقة تحتاج إلى استثمارها في تحويل أحدهما إلى الآخر لأنهما جزيئات متشابهة جدًا وبالتالي حالات طاقة حرة لا تضاهى. انظر الآن إلى الخطوة التالية.

الخطوة التالية هي مرة أخرى طريقة أخرى لتوليد الطاقة تؤدي إلى نتائج عكسية تمامًا. لأنه ، مرة أخرى ، ATP ، فوسفات جاما ، يتم استثمار طاقته في إنشاء سداسي الفوسفات ، الفركتوز 1 ، 6 ثنائي الفوسفات حيث تشير الأرقام بوضوح إلى هويات الكربون.

والآن لدينا جزيء الفركتوز منزوع الفسفرة.

وهنا يمكنك في الواقع أن ترى ما هو ثلاثي الأبعاد ، ما نتخيله أقرب إلى الشكل الذي تبدو عليه الهياكل ثلاثية الأبعاد لهذه الجزيئات. ولا يجب أن نركز هذه المرة على ما إذا كان هذا أو هذا. لجميع الأغراض العملية ، دعنا نركز فقط على هذا المسار هنا. وهنا ، ولأول مرة ، ما يحدث الآن هو أن هذا السداسي ينقسم إلى مجموعتين ، أي إلى اثنين من سكريات الكربون الثلاثة.

وهذا رد فعل طفيف.

ينتج ، يحدث بدون استثمار الطاقة.

وهناك إنزيم ، مرة أخرى ، مطلوب لتحفيزه. لكن لنكن واضحين حقًا الآن.

الآن علينا أن نتبع مصير جزيئين.

الثلاثي الأول والثاني. لديهم أسماء مختلفة ، لكننا لن نركز على الأسماء. شيء واحد تلاحظه حول هذه الثلاثيات هو أنها قابلة للتحويل المتبادل بسهولة.

مرة أخرى ، يمكننا أن نتخيل أن لدينا موقفًا يشبه هذا. هذه تقلب ذهابًا وإيابًا.

وبالتالي ، بالنسبة لجميع الأغراض العملية من وجهة نظرنا ، فإن هذين الأمرين متكافئان لأنه يمكن تبادلهما تقريبًا بشكل فوري مع الآخر. الآن ، لقد أنفقنا بالفعل طاقة حتى الآن. لم نحصد الطاقة. لكن ، ضع في اعتبارك ، القول المأثور الاقتصادي القديم الذي يجب أن تستثمر فيه المال لكسب المال.

وهذا ما يحدث هنا. أول ما يحدث هو أن لدينا تفاعل أكسدة. ما هو تفاعل الأكسدة؟

نريد تجريد بعض الإلكترونات ، زوجًا من الإلكترونات من هذا الثلاثي المحدد ، سكر الكربون الثلاثة.

وبتجريد زوج من الإلكترونات فإننا نتبرع بالإلكترونات من NAD + إلى NADH. وهنا ترد هذه الهياكل في كتابك. ولكن اتضح أن NADH هو أن الإلكترونات يتم سحبها بعيدًا عن المثلث ويتم استخدامها لتقليل NAD + إلى NADH.

ضع في اعتبارك أنه في تفاعل الأكسدة ، يُحرم جزيء واحد يتأكسد ، ويحرم زوجًا من الإلكترونات.

الجزيء الآخر الذي يتم اختزاله ، في هذه الحالة NAD ، يكتسب زوجًا من الإلكترونات. ويمكنك التركيز ، إذا أردت ، حول شحنة هذه الجزيئات ، واحدة أو أخرى. ولكن ، ضع في اعتبارك أنه في تفاعلات تقليل الأكسدة هذه ، سواء كانت مشحونة أو ناقصة ، لا علاقة لها بالموضوع. الاسم الحقيقي للعبة هو الإلكترونات. انس أمر البروتونات ، سواء كانت تحتوي على شحنة موجبة أو محايدة. الاسم الحقيقي للعبة هنا هو أنه يتم استخدام إلكترونين لاختزال هذا الجزيء إلى هذا الحد.

بالمناسبة ، الخطأ الثالث الذي نسيت أن أخبرك به من قبل ، هناك رابط مزدوج في أحد البيريميدين في الكتاب لا معنى له. كل من يجدها يحصل على جائزة ، لكن لم يكتشف أحد ماهية الجائزة حتى الآن. لذلك ، يتم تقليل هذه الرابطة المزدوجة. ترى الفرق بين هذا وهذا هنا. واتضح أن NADH هو جزيء عالي الطاقة. قيمة الشارع لـ NADH هي ثلاثة ATPs ، أي في الميتوكوندريا يمكن استخدام NADH لتوليد ثلاثة ATPs ، وهذا يستحق شيئًا. لذلك ، NADH بمفرده جزيء عالي الطاقة. لا يمكن استخدامه للعديد من الأشياء ، ولكن يمكن سحبها إلى الميتوكوندريا حيث يتم تحويلها إلى ثلاثة ATPs.

لذلك ، نقول ، حسنًا ، لقد بدأنا في جني بعض المال من هذا الاستثمار لأننا قمنا ، في الواقع ، بعمل هذه NADHs.

انظر هنا. لماذا نقول اثنين من NADHs؟

لأن هناك مجموعتين من الثلاثيات التي نعمل معها ، وكل واحد من الثلاثيات يمنحك NADH. لذا ، كل ما يحدث بعد ذلك ، بدءًا من الأعلى هنا ، يتضاعف الآن لأننا ننظر إلى السلوكيات المتوازية لاثنين من سكريات الكربون المتماثلة الثلاثة.

لذا ، فقد أنشأنا هنا حتى الآن ، من حيث المبدأ ، ستة من ATPs.

كم استثمرنا بالفعل حتى هذه النقطة؟ اثنين.

استثمرنا اثنين لكننا حصدنا ستة. لقد بدأنا بالفعل في جني القليل من المال لأنني أخبرتك أن القيمة السوقية لـ NADH هي ثلاثة ATPs في السوق السوداء. حسنًا ، ماذا سيحدث بعد ذلك؟

التالي هو شيء جيد آخر. كل من الثلاثيات ، يمكن للمرء أن يتسبب في الواقع في كل من الثلاثيات لتوليد جزيء ATP من ADP. ماذا يحدث هنا؟

اتضح أن هذا الفوسفات الموجود هنا هو في الواقع في حالة طاقة عالية جدًا ، في جزء ليس صغيرًا بسبب تنافر الإلكترون سالب-سالب. ومن خلال تجريد هذا الفوسفات من هذا الفوسفات عالي الطاقة الذي تم تجريده من هذا الجزيء هنا ، والذي سنتجاهل اسمه ، يتيح لنا فسفرة ATP.

ونظرًا لوجود اثنين من عمليات التحويل الثلاثية ، فسنحصل على اثنين من ATPs. لذلك ، في الواقع ، نحن الآن بالفعل في المقدمة. بدأنا في استثمار اثنين ، واستردنا ستة من NADHs ، واستردنا اثنين هنا.

لذلك ، صنعنا اثنين من ATPs. هذا أمر جيد. ضع في اعتبارك أن ADP هي طاقة أقل ، أما ATP فهي طاقة عالية. مرة أخرى ، لدينا أزمرة حيث يكون هذان الجزيئان في حالات مماثلة هنا وهنا ، حيث يقفز الفوسفات إلى هذه الحالة. ويتحلل هذا تلقائيًا ونحصل على هذا الجزيء هنا ، phosphoenolpyruvate في النهاية.

ومرة أخرى ، نحصد اثنين من ATPs ، واحد من ATP من كل من الثلاثيات. وننتهي ، في نهاية هذا التفاعل ، بالبيروفات. وستقول أن هذا رائع لأننا استثمرنا اثنين من ATPs ، وحصدنا أربعة ، بالإضافة إلى أننا حصلنا على ستة من NADHs ، أليس كذلك؟ اثنين من NADH ، كل NADH يعطينا ثلاثة لكل منهما ، لذلك دعونا نجري العملية الحسابية. لنقم بالميزانية العمومية. لقد استثمرنا في البداية ، مع جلوكوز واحد ، استثمرنا اثنين من ATPs. كان ذلك في وقت مبكر. ثم كان العائد أول اثنين من NADHs ، والتي أخبرتك أنها تساوي ستة ATPs. لأن NADH تساوي ثلاثة ATPs.

هذا جيد حتى الآن. والآن بعد ذلك قمنا بعمل أربعة ATPs بحيث يبدو صافي العائد مفيدًا جدًا. ستة زائد أربعة يساوي عشرة ناقص اثنين ، ربح ثمانية ATPs من جزيء جلوكوز واحد.

قد تقول هذا رائع ، لكن هناك مشكلة.

هناك خدعة. إذا حدث تحلل السكر في غياب الأكسجين ، إذا حدث ذلك ، فسنواجه مشكلة هنا ، لأن الطريقة الوحيدة التي يمكن بها لـ NADHs توليد ATP هي إذا كان هناك أكسجين لأخذ أزواج الإلكترونات هذه واستخدامها لتقليل جزيء الأكسجين . هذا ، بالمناسبة ، جزء من سبب تنفسنا. ضع في اعتبارك أنه عند إنشاء NADH من جزيء NAD ، فأنت بحاجة إلى تجديد NAD.

لا يمكنك فقط تجميع المزيد والمزيد من NADHs. تحتاج إلى تجديد NAD. وبالتالي ، فإن NADH هذا ، مع أزواج الإلكترونات الخاصة بهم ، يكون لأزواج الإلكترون بعضًا للتخلص منها. يجب عليك تجديد NAD. لا يمكنك فقط صنع المزيد والمزيد من هذا. إذن ، كيف تتخلص منه الخلايا؟

حسنًا ، كيف يتخلصون منه بسيط.

تأخذ أزواج الإلكترونات وتضعها على الأكسجين ، وهذا ما يسمى بالفعل الاحتراق. وتحصل على الكثير من الطاقة من ذلك. ولكن ماذا يحدث إذا حدث كل هذا بشكل لا هوائي؟

اللاهوائية تعني أن التفاعل يحدث في غياب الأكسجين.

حسنًا ، إذا كان لديك خميرة تنمو على عمق 14 قدمًا تحت الأرض ، فهذا يحدث بشكل لا هوائي. إذا كان لديك خميرة يتم تخميرها في برميل كبير لصنع النبيذ أو البيرة ، فمن المحتمل أيضًا أن يحدث ذلك بشكل لا هوائي. إذا بدأت في الجري لمسافة 100 ياردة ، أو لنفترض أنه كان عليك الركض لمسافة ميل ، فسيكون هناك في البداية ما يكفي من الأكسجين ، وهناك الكثير من الأكسجين حولك للسماح لك بالتخلص من NADHs وتفريغ الإلكترونات التي حصلوا عليها. جزيء الأكسجين. وهذا جيد.

هذا يستحق الكثير لأنه ، في الواقع ، ما تفعله هو أنك تأخذ الأكسجين والهيدروجين وتقوم بحرقهما معًا.

وهذا رائع. ولكن عندما تبدأ في الجري في الشارع ، سرعان ما ينفد إمداد الأكسجين لعضلاتك ، وسرعان ما يحدث الكثير من إنتاج الطاقة في عضلاتك بطريقة لاهوائية. لماذا ا؟ نظرًا لأنه لا يمكنك الحصول على الأكسجين بسرعة كافية لعضلاتك ، وبالتالي ، لفترة من الوقت ، تبدأ في الشعور بالحرقان في عضلاتك لأن أكسدة NADH لا تحدث. وبدلاً من ذلك ، يتم تجديد NADHs بطريقة أخرى. كيف يتم تجديدها؟ يجب أن يتم إلقاء أزواج الإلكترون من NADH على هذا الجزيء هنا ، البيروفات. لم يتم استخدامها لصنع ATP لأنه لا يمكن استخدامها لصنع ATP لأنه لا يوجد أكسجين حولها لقبول أزواج الإلكترونات التي اكتسبتها NADH.

وهكذا ، ماذا يحدث مع هذه NADHs القيمة؟

لا يحدث هذا في ظل الظروف اللاهوائية.

يتم استخدام NADHs بدلاً من ذلك ، يتم التبرع بإلكتروناتهم لصديقنا البيروفات هنا ، سكر الكربون الثلاثة.

وما يحدث ، عندما يتم التبرع بها مرة أخرى إلى البيروفات ، من أجل تجديد NAD ، فأنت بحاجة إلى المزيد من NAD لالتقاطه لاستخدامه لاحقًا في التفاعل ، لاستخدامه مرة أخرى في رد فعل آخر.

عندما تتبرع بالإلكترونات من NADH مرة أخرى إلى البيروفات ، ماذا يحدث؟ تحصل على حمض اللاكتيك. حمض اللاكتيك هو ما يجعل عضلاتك تحترق عندما تجري بسرعة كبيرة ولا يمكنك الحصول على ما يكفي من الأكسجين لبدء حرق NADH.

لذلك ، بدلاً من استخدام NADH لتوليد ATP ، يتم تحويله لإنتاج حمض اللاكتيك. هذا جيد بمعنى ما لأنك تقوم بتجديد NAD.

لماذا تحتاج إلى تجديد NAD؟ لأنك بحاجة إلى الكثير من NAD حول الخطوات السابقة في التفاعل. ضع في اعتبارك ، في وقت مبكر من رد الفعل ، تحتاج إلى NAD هنا. إذا لم تقم بتجديده ، فإن تحلل السكر يتوقف. لذلك ، على الرغم من أنك تقوم بعمل NADH وهو أمر جيد من حيث المبدأ ، إلا أنه من الناحية العملية يجب إعادة تدويره.

وإذا لم يتم إعادة تدويرها لصنع المزيد من NAD الجديد للسماح بحدوث هذه الخطوة ، فسيتم إيقاف تفاعل حال السكر بالكامل وستكون في حالة من الفوضى. ومع ذلك ، للأسف ، في حالة عدم وجود الأكسجين ، فإن الطريقة الوحيدة لإعادة تدوير هذا هو تفريغ هذه الإلكترونات وليس في الأكسجين الغني بالطاقة ، بل يتم تفريغها مرة أخرى في حمض البيروفيك لإنتاج حمض اللاكتيك.

لذا ، تقلل هذه الرابطة هنا. لذا ، تحصل على CH ، COH. يتم تقليل هذه الرابطة هنا وتحصل على حمض اللاكتيك.

لذا ، بدلاً من رابطة الكربونيل هنا لديك CH و COH هنا ، هذا تفاعل اختزال.والآن أنت قادر على تجديد NAD. والآن تقول أن هذا شيء عظيم. لكن ، ضع في اعتبارك أنه الآن رد فعل حال السكر بالكامل ، كم هو صافي ربحنا الآن؟ قبل أن أكون شماتة بشأن حقيقة أننا صنعنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين ، حققنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين من هذا. ما الذي عدنا إليه الآن؟

ما هو إجمالي العائد الصافي الآن؟ حسنًا ، لا يمكن لـ TAs الإجابة.

اثنان ، لأننا استثمرنا اثنين وخرجنا من أربعة.

وهو اثنان فقط. الآن ، لماذا هذا مثير للاهتمام؟

حسنًا ، حتى ما يقرب من ستمائة مليون سنة لم يكن هناك الكثير من الأكسجين في الغلاف الجوي. وفي حالة عدم وجود الأكسجين ، يكون هذا هو التفاعل الوحيد تقريبًا الذي يمكن استخدامه لتوليد الطاقة. ومنذ حوالي ستمائة مليون سنة ، تم التخلص من المزيد والمزيد من الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي في الغلاف الجوي.

وسرعان ما أصبح الأكسجين متاحًا للكائنات الحية مثل أسلافنا.

وبعد ذلك يمكنهم في الواقع البدء في إعادة تدوير NADH بطريقة أكثر إنتاجية. ونتيجة لما حدث ، بدلاً من أن ينتج عن تحلل السكر اثنين ، يمكننا أن نرتقي إلى هذه الثمانية النظرية لأن NADHs يمكنها الآن إيداع إلكتروناتها على الأكسجين ، وهو أمر أكثر ربحية.

في الواقع ، لقد أخبرتك الآن أنه في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكنك فقط صنع اثنين من ATPs. سأخبرك ، دون أن أعطيها لك ، أنه في وجود الأكسجين يمكنك صنع 34 لاعبًا للاعبي التنس المحترفين.

و 34 ، يمكننا أن نتفق ، أفضل بكثير من اثنين في وجود الأكسجين. لا يمكن لأشكال الحياة الأعلى أن تتطور حتى تصبح هذه الطريقة الأكثر فعالية لتوليد الطاقة متاحة. وبالتالي ، إذا كان أسلافنا الذين عاشوا منذ أكثر من ستمائة مليون سنة بطيئين للغاية ولم يكونوا أذكياء جدًا ، فإن السبب في أنهم كانوا بطيئين ولم يكونوا أذكياء جدًا هو أنهم لم يتمكنوا من توليد الطاقة التي كان مطلوبًا لدفع عملية التمثيل الغذائي بكفاءة.

التمثيل الغذائي ، التمثيل الغذائي اللاهوائي ، أنا.

. ، التي تحدث في غياب الطاقة ، غير فعالة للغاية.

إنه لا يحدث بشكل جيد. الآن ، ماذا يحدث في الواقع إذا كان لدينا أكسجين حولنا؟ حسنًا ، ما يحدث هو شيء من هذا القبيل. نأخذ البيروفات ، وهو نتاج تحلل السكر وهو هذا المسار الأكثر بدائية ، ونفرمه في الميتوكوندريا. والآن نولد من خلال هذه الدورة هنا ، والتي لا أطلب منك حفظها ، من فضلك ، لا تفعل ذلك. نقوم بتوليد التفاعلات التي تبدأ من هنا ونصل إلى هذا الناتج 34 ATP لكل جلوكوز. وجوهر دورة حامض الستريك ، الذي يحدث في الميتوكوندريا ، ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا تبدو هكذا.

ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا هي أسلاف البكتيريا التي طفت على سيتوبلازم الخلايا منذ 1.5 مليار سنة على الأرجح.

ولكن إذا نظرنا الآن إلى ما يحدث في الميتوكوندريا ، فإن البيروفات الذي أنشأناه في العصارة الخلوية ، في الجزء القابل للذوبان من السيتوبلازم يتم ضخه الآن في الميتوكوندريا ، وهناك سلسلة كاملة من التفاعلات التي تحدث هنا ، والتي تأخذ هذا ثلاثة سكر كربون. أول شيء يحدث هو أن الكربون يغلي. ثاني أكسيد الكربون ، الذي تم إطلاقه.

نحن الآن ننتقل إلى سكر كربونين. ثم يضاف سكر الكربون إلى أربعة سكر كربون ويتأكسد تدريجياً.

وبما أنه يتأكسد ، ما الذي تم فصله؟ حسنًا ، ما تم فصله ، على سبيل المثال ، هناك NADH الذي تم فصله ، وهناك ATP.

انظر ، هناك NADH الذي تم نسجه. ها هي NADH التي تم نسجها.

هنا ابن عم NADH. إنها تسمى FADH والتي تولد مرة أخرى جزيء عالي الطاقة. مرة أخرى ، تتأكسد جزيئات الكربون ، ويتم تجريد الإلكترونات واستخدامها لإنشاء هذه الجزيئات عالية الطاقة ، FADH و NADH.

بالمناسبة ، FADH ، ابن عم NADH ، لا تساوي سوى اثنين من ATPs في السوق المفتوحة. حيث إن NADH ، كما أخبرتك مرارًا وتكرارًا ، تساوي ثلاثة. وبحلول الوقت الذي نضيف فيه كل NADHs التي تم إنشاؤها بواسطة هذه الدورة وثاني أكسيد الكربون التي يتم إطلاقها ، في نهاية هذه الدورة هنا نبدأ مع اثنين من الكربون ، نضيفها إلى أربعة ونحصل على ستة جزيئات كربون .

نطلق بعض ثاني أكسيد الكربون هنا ونعود إلى أربعة سكر كربون. أضف اثنين آخرين ، اصعد إلى ستة ذرات كربون. تجول مرة أخرى ، تدور حول العجلة. وفي كل مرة نقوم بذلك ، ننتج الكثير من NADHs ، ننتج الكثير من FADHs ، وننتج الكثير من ATP. في جميع الحالات ، تعد هذه ردود أفعال مربحة للغاية لأن NADHs و FADHs يمكن استخدامها في الميتوكوندريا لتوليد ATP. لذا ، دعونا نلقي نظرة على ملف الطاقة الخاص بالشيء بأكمله. ضعها سوية. هذا هو المكان الذي بدأنا فيه في البداية ، وهذه نهاية عملية تحلل السكر ، حسنًا؟ لذلك ، نحن الآن نجمع ملفات تعريف الطاقة للتسلسل الكامل للتفاعلات التي شكلت تحلل السكر ، والتي تبدأ هنا وتنتهي هنا لأن البيروفات ، كما ستتذكر ، هي نتاج تحلل السكر ، الخطوة الأولى. تحدث دورة كريبس ، أو أحيانًا تسمى دورة حمض الستريك. لذا ، دعنا فقط نصحح هذه الكلمات. دورة حمض الستريك لأنها تصادف أنها إحدى الدورات ، أو تسمى أحيانًا دورة كريبس نسبةً إلى الشخص الذي اكتشفها حقًا ، كريبس.

تبدأ دورة كريبس هنا. ترى كيف يتغير التظليل من البيروفات. وها نحن نذهب إلى هناك. ودعونا الآن نلقي نظرة على ما يحدث من حيث تبادل الطاقة.

تذكر أنه في وقت مبكر كنا بحاجة إلى استثمار ATPs لرفع حالة الطاقة إلى هنا. لقد استثمرنا ATPs في هذه المرحلة هنا ، ثم بدأنا في استعادة بعض منها.

حصلنا على هذين NADHs ، واحد NADH يأتي من كل من سكريات الكربون الثلاثة. لقد حصلنا على المزيد من ATPs هنا وحصلنا على المزيد من ATPs هنا ، ولكن لا يمكن استخدام NADH بشكل مثمر لتوليد ATP في حالة عدم وجود الأكسجين ، ولكن في وجود الأكسجين الآن يمكننا البدء في استخدام هذه بشكل مربح للغاية. كل من هؤلاء يصنع ثلاثة ATPs وكل واحد منهم ، من الواضح ، يصنع ATPs. ثم دعونا نلقي نظرة على ما يحدث في الميتوكوندريا. ضع في اعتبارك أن هذا هو الحد الفاصل بين العصارة الخلوية والسيتوبلازم والميتوكوندريا.

هنا حيث يتم استخدام الأكسجين فعليًا وهنا ننتج كل هذه NADHs هنا وهنا وهنا ، FADHs. وما زلت أقول ، ولا يزال هذا صحيحًا ، على الرغم من الحقيقة التي أواصل قولها ، أن NADHs يمكن تحويلها إلى ATPs ، ويمكن بعد ذلك نشر ATPs ، ونقلها عبر الخلية بأكملها حيث يتم استثمارها بعد ذلك في ردود الفعل endergonic.

هنا نرى كل هذه NADHs. وانظر إلى التغيير العام في الطاقة الحرة. لم تستفد الخطوات الأولية في تحلل السكر حقًا. يحتوي الجلوكوز على ما يقرب من 680 سعرة حرارية لكل مول من الطاقة. إنه مرتفع جدًا هنا. لكن بحلول الوقت الذي ننتقل فيه من هنا إلى هنا ، هناك إطلاق هائل للطاقة ، يتم حصادها في شكل هذه الجزيئات التي يتم إعادة استثمارها بعد ذلك.

في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكن لهذا الإجراء بأكمله أن ينتقل فقط من هنا إلى أسفل إلى هنا. والكثير من هذا الانخفاض من ستة إلى سبعة لا طائل منه لأنه يتعين علينا إعادة استثمار NADH هذا.

لا يمكن استخدامها ، في الواقع ، لتوليد المزيد من ATPs ، كما قلت مرارًا وتكرارًا. لذلك ، هذا يعني في النهاية أنه يمكننا توليد كمية هائلة من الطاقة في شكل هذه التفاعلات المزدوجة. بعد قولي هذا ، دعونا نلقي نظرة على ما يحدث داخل الميتوكوندريا.

يوجد داخل الميتوكوندريا بالفعل حجرات مادية مختلفة. ترى الفضاء الأزرق هناك ، الفضاء بين الغشاء ، المساحات الزرقاء هناك؟ المصفوفة في الداخل.

يقع الفضاء بين الغشاءين ، الغشاء الداخلي والخارجي ، والخارج هو السيتوبلازم. الغشاء الخارجي ، الغشاء الداخلي ، بينهما. لذا ، انظروا إلى ما يحدث ، في الواقع ، في الميتوكوندريا. يتم استخدام هذه NADHs لضخ البروتونات من الفضاء الداخلي للميتوكوندريا إلى الفضاء بين الغشاء. أنا لا أريكم ما يحدث.

لكن عليك أن تأخذها في كلامي. إذن ، البروتونات المصورة هنا مستخرجة من NADH و FADH ، وتستخدم لضخ البروتونات هنا. وبالتالي ، تنتقل البروتونات من هنا إلى هنا.

من الواضح ، عندما تضخ البروتونات إلى الخارج ، يصبح الأس الهيدروجيني من الخارج أقل مما هو عليه في الداخل ، ولأن هناك تدرجًا ، يوجد تركيز أعلى للبروتونات هنا أكثر من الداخل.

تبدأ البروتونات في التراكم في الخارج هنا في الفضاء بين الغشاء. هل هم في السيتوبلازم؟ لا ، إنها في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. تبدأ في التراكم في هذا الفضاء الأزرق الكثير من البروتونات. وهذا ضخ البروتونات في الفراغ بين الغشاءين يتطلب طاقة ، وتأتي الطاقة من أصدقائنا NADH و FADH كما اتضح. هم مسؤولون عن التسبب في تراكم البروتونات في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. لذلك ، لدينا الآن الكثير من البروتونات هناك. وما يحدث الآن ، تحب البروتونات أن تتدفق مرة أخرى لأن هناك تركيزًا أعلى هنا لأنها داخل الفضاء الذي يسمى مصفوفة الميتوكوندريا ، داخل الميتوكوندريا. إذن ، ماذا يحدث؟

هنا ، اكتشاف آخر حائز على جائزة نوبل هو اكتشاف جزيء مثير جدًا للاهتمام ، أو مركب بروتينات يجب أن أقول ، يبدو في ثلاثة أبعاد تقريبًا مثل هذا.

وما يفعله هذا المركب هو أنه بينما تتدفق البروتونات عبر القناة الداخلية هنا ، فإنها تتحرك لأسفل على تدرج للطاقة.

إنهم ينتقلون من حالة التركيز العالي إلى حالة التركيز المنخفض. ما يفعله ذلك ، أن ضغط الانتشار هذا ينتج طاقة بالفعل.

وهذا المركب هنا يحصد هذه الطاقة من أجل تحويل ADP إلى ATP. لذلك ، عندما أتحدث عن NADH على أنه يستحق ، كل واحد منهم يستحق ثلاثة ATPs ، ما أتحدث عنه حقًا هو حقيقة أنه يمكن استخدام NADHs لضخ البروتونات في الميتوكوندريا بالخارج هنا ، ويمكن بعد ذلك استخدام هذه البروتونات يمكن بعد ذلك ضخه بهذه الطريقة من خلال مضخة البروتون هذه ، والتي تستخدم بعد ذلك ADP في التجويف الداخلي للميتوكوندريا لتكوين ATP. وهنا نحصل أخيرًا على تحويل ADP إلى ATP. يمكننا أن ندرك ، أخيرًا ، هذه الفائدة الموعودة. ثم يتم تصدير جزيئات ATP هذه من الميتوكوندريا في جميع أنحاء الخلية واستخدامها لتحريك العديد من التفاعلات. لقد واجهنا بالفعل مجموعة مهمة من التفاعلات ، وهذه التفاعلات هي بلمرة الأحماض النووية. الآن ، نقطة أخيرة أريد أن أوضحها هي التالية. لقد تحدثنا للتو عن التمثيل الغذائي ، وتحدثنا عن مسار إنتاج الطاقة في الخلية.

وقد يكون لديك الوهم ، للحظة وجيزة ، أن هؤلاء كلهم ​​، هذا هو مجموع كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية. لكن في الحقيقة ، إذا رسمنا كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية ، فإنها أكثر تعقيدًا. هنا هو مسار حال السكر. تراه هنا حيث لا يوجد شيء اسمه؟ ها هي دورة كريبس هنا.

ونحن لا نتحدث حتى عن الطاقة هنا. وبينما تتحرك الجزيئات في هذا المسار من هنا إلى هنا ومن هنا إلى هنا ، يتم تحويل بعض هذه الجزيئات لتطبيقات أخرى.

ليس لإنتاج الطاقة ولكن للتطبيقات الأخرى.

وما يحدث هنا ، يتم تحويلهم من خلال سلسلة من الخطوات الكيميائية الحيوية المعقدة إلى جزيئات بيولوجية أساسية أخرى. ماذا أعني بذلك؟

إذا أعطيت بكتيريا E. coli ، فإنك تعطيها مصدرًا بسيطًا للكربون مثل الجلوكوز وتعطيها الفوسفات وتعطيها مصدرًا بسيطًا للنيتروجين مثل أسيتات الأمونيوم أو أي شيء ، يمكن للإشريكية القولونية ، من تلك الذرات البسيطة أن تولد كل الأحماض الأمينية ، يمكن أن تولد البيورينات والبيريميدين ، ويمكن أن تولد جميع أنواع الجزيئات البيولوجية المعقدة المختلفة فقط من تلك اللبنات البسيطة. وبالتالي ، فإن عملية التخليق الحيوي لا تتضمن فقط إنشاء الجزيئات الكبيرة ، بل إن هذه الخطوات لما يسمى التمثيل الغذائي الوسيط تُستخدم لتجميع جميع الكيانات الكيميائية الحيوية الأخرى التي يحتاجها المرء لصنع خلية. يتم استخدامها لتصنيع البيورينات والبيريميدين.

يتم استخدامها لتخليق الدهون ، وتستخدم لتصنيع الأحماض الأمينية ، وتستخدم لتجميع مئات المركبات الأخرى حرفيًا. وعندما نرى هذا الرسم البياني مثل هذا ، ولا أحد على وجه الكوكب قد حفظ هذا الرسم البياني ، فإن كل خطوة من هذه الخطوات ، الانتقال من جزيء إلى آخر ، تمثل تفاعلًا كيميائيًا حيويًا آخر. وتنتقل الغالبية العظمى من هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية من A إلى B إلى C إلى D.

تتطلب كل خطوة من هذه الخطوات تدخل إنزيم ، وهو محفز متخصص لتلك الخطوة بالذات.

لذلك ، يبدأ هذا في إعطائك تقديرًا لعدد الخطوات البيوكيميائية المميزة التي يحتاجها المرء في الخلية. الأرقام التي من المحتمل أن تصنع خلية بسيطة ، ربما تحتاج إلى حوالي ألف تفاعل كيميائي حيوي مميز ، كل واحدة منها تتطلب تدخل إنزيم. والعديد من هذه الخطوات ، والأهم من ذلك ، أن العديد من هذه الخطوات البيوكيميائية هي تفاعلات مفعمة بالحيوية. من أين يحصلون على الطاقة لدفع ردود الفعل هذه إلى الأمام إذا كانت مفعمة بالحيوية؟ ATP. لذا ، فإن ATP من فرن توليد الطاقة بالأسفل هنا هو ثم ينتشر في جميع أنحاء الخلية لتشغيل كل هذه التفاعلات المستهلكة للطاقة. اتمنى لك نهايه اسبوع جميله.


شاهد الفيديو: الحلو-كيمياء حيوية-المصاوغات Isomers المصاوغات الفراغية والمرآتية1 (أغسطس 2022).