Oxidace a redukce v buněčném dýchání Oxidace a redukce v buněčném dýchání. Sloučení biologické a chemické definice oxidace a redukce.

Teď, když jsme si řekli něco málo o oxidaci a redukci, podívejme se, jestli dokážeme naše možná znovu nabyté znalosti aplikovat na buněčné dýchání. Buněčné dýchání, kde každý mol glukózy C6H12O6 reaguje s - a možná je ve svém vodné fázi. Je rozpuštěn ve vodě. Každý mol glukózy reaguje se šesti moly molekulárního kyslíku. A naše buňky potom v celé sérii kroků provádějí buněčné dýchání. Na toto téma vytvořím další videa. Provádějí buněčné dýchání. Prostě to zkrátím. Reakcí se vytvoří šest molů oxidu uhličitého. Abychom mohli buněčné dýchání provádět, musíme vdechovat kyslík a vydechovat oxid uhličitý ven, jedná se totiž o meziprodukt buněčného dýchání. Šest molů oxidu uhličitého, šest molů vody. A hlavní podstata celé reakce - energie. Energie, která se v reakci uvolní. Naše tělo vytvořenou energii ukládá. Abych byl přesný, část se jen přemění na teplo. Ale podstatou buněčného dýchání je uložit ji ve formě třiceti osmi molekul ATP, o kterých už víme, že jsou energetickou "měnou" biologických systémů. Naše těla nebo biologické systémy obecně mohou využívat ATP ke stahům svalstva nebo pro vytvoření nervových impulzů, k růstu či dělení buněk a vůbec na všechno možné, co biologický systém musí dělat. V posledním videu jsme se naučili něco málo o oxidaci a redukci, pojďme tedy uplatnit tyto pojmy i tady. V posledním videu jsme viděli, co by řekl chemik, nechte mě to napsat takhle, chemik by řekl, že oxidace znamená ztrátu elektronů, nebo neschopnost přitahovat elektrony. Neschopnost přitahovat elektrony. Ztráta elektronů. Chemik nám řekne, že redukce znamená získání elektronů. Získávání elektronů. Pokud máte problém se zapamatováním, že oxidace je ztráta, mnemotechnickou pomůckou pro zapamatování je "OIL". (pozn. Oxidation Is Loss) Oxidace znamená ztrátu elektronů. Redukce zase získání elektronů. Nebo "RIG". (pozn. Reduction Is Gain) "OIL" a "RIG". Látka, která se probírá v hodinách chemie. Biolog nebo biochemik zase řekne: "No dobře, já bych ale chtěl tento problém definovat trochu jinak." Biolog nám poví, že při oxidaci se přichází o atomy vodíku. Při redukci se zase atomy vodíku získávají. Získání vodíku. A jak jsme viděli v posledním videu, tato definice se ve skutečnosti dá těžko vztáhnout na vodík, protože vodíkový atom nemůže sám sebe získat nebo o sebe přijít. Důvod, proč jsme řekli, že si tyto dvě teorie neodporují, je proto, že když mluvím o uhlíku a uhlík ztrácí vodík. Řekněme, že mám nějakou sloučeninu, která vypadá takhle. Možná má někde jinde spoustu dalších vazeb. A potom uhlík, řekněme, že jde o uhlík, který vypadá takto a má na sobě navázaný kyslík, který je možná navázán k dalšímu kyslíku. Moje vysvětlení je tak trochu zestručněné. A třeba tenhle kyslík je zase navázán na něco jiného. S tímhle začínám. A na druhé straně rovnice nám vyjde něco, co vypadá takhle. Kyslík je tady navázán na uhlík. A druhý kyslík se může vázat k vodíku tady. Biolog řekne: "Uhlík byl zoxidován, protože ztratil svůj vodík." Vodík se přesunul odtud - vyznačím to v jiné barvě - přesunul se od uhlíku tady ke kyslíku na druhé straně. Biolog také řekne, že tento kyslík byl redukován. Byl redukován, protože získal atomy vodíku. Ve skutečnosti, nebo možná podle definice chemika, kterou mám tady rád o trochu víc, protože uhlík je elektronegativnější, vidíme, že uhlík má oproti vodíku mnohem vyšší elektronegativitu. A kyslík má ještě vyšší elektronegativitu než uhlík. Když se kterákoliv z těchto molekul naváže na vodík, přitáhne si jeho elektron. V tomto případě přitáhne elektron uhlík. Uhlík přitahuje elektrony. Zatímco tady si přitáhne elektrony uhlíku kyslík. Kyslík přitahuje elektrony. Kyslík přitahuje. Uhlík přijde díky ztrátě vodíku o svou příležitost přitáhnout elektrony. A protože se navázal na kyslík, nejenom že nemůže přitáhnout elektrony vodíku, ale jeho elektrony jsou přitahovány atomem s vyšší elektronegativitou. Proto si tyto dvě definice neodporují. Stejně tak kyslík. Tady se váže s jiným kyslíkem, nic nepřitahuje. Ale když získá vodík, dokáže přitáhnout jeho elektrony. Protože má mnohem vyšší elektronegativitu. Můžeme i říct, že elektrony získává. Proto si také tyto dvě definice tak nějak odpovídají. I když se někdy, když reakce neprobíhá s vodíkem, rozejdou. Definice chemická se dá spíš použít na všechny druhy reakcí. Někdy je ale definice podle biologa jednodušší na pochopení. Nebo ji můžeme i vidět napsanou v učebnicích. Vraťme se tedy k buněčnému dýchání a zkusme si vyvodit, co se v reakci oxiduje a co redukuje. Podíváme-li se sem, na této straně máme glukózu. Jen jsem z Wikipedie zkopíroval a vložil molekulu glukózy. A tady máme chybu. Možná bych ji měl na Wikipedii opravit. Na uhlík právě tady by měl být navázán další vodík. Ale jak vidíme, všechny vodíky jsou buď navázány na kyslík, nebo tady na uhlík. Na levé straně jsou navázány buď na kyslík, nebo na uhlík. Kdybychom měli napsat jeho stav oxidace, je v každém případě navázán na prvek s vyšší elektronegativitou. Bude přicházet o své elektrony. Bude tedy mít oxidační číslo +1. A kyslík je v každém případě navázán buď na uhlík, nebo na vodík. Takže když se váže na uhlík nebo na vodík, přitáhne si od jednoho či druhého jejich elektron. Kyslík v glukóze má za všech okolností oxidační číslo -2. Člověk by si myslel, že když je celá tato část neutrální, bude mít uhlík oxidační číslo 0. Pokud si projdeme uhlíky ve vzorci glukózy, většina opravdu má oxidační číslo 0. Pár jich zakroužkuji. Například uhlík přímo tady přitahuje elektron od tohoto vodíku. Ale potom jsou jeho elektrony přitaženy tímto kyslíkem. Samozřejmě to s uhlíkem nic neudělá. Tento uhlík je tedy neutrální. Uhlík tady je neutrální ze stejného důvodu. Stejně jako tento. A i tady. Váže se na dva uhlíky. Kyslík mu sebere elektron. On si ale přitáhne elektron od vodíku. Takže je neutrální. Čtyři z těchto uhlíků mají oxidační číslo 0. Kyslík si přitáhne dva elektrony právě od tohoto uhlíku. Ten si pak přitáhne jeden elektron od vodíku. Má pak oxidační číslo +1. Uhlík tady to má naopak. Pojí se se dvěma vodíky, od kterých si přitáhne elektron. Jeden elektron musí předat kyslíku. Má pak oxidační číslo -1. Tyto dva uhlíky se vzájemně vynulují. Obvykle lze tedy říci, že uhlíky ve vzorci glukózy mají oxidační číslo 0. Teď se zabývám chemickou definicí. Ukážeme si, proč jsou v podstatě stejné. Ani jeden z těchto kyslíků není v žádném oxidačním stavu. Protože jsou navázány pouze - udělám to lepší barvou. Nejsou v žádném oxidačním stavu, protože jsou navázány pouze na kyslík. Elektrony se nikam nepřesouvají. Oba kyslíky jsou očividně stejně elektronegativní. Když se podíváme na reakční produkty, vypadá oxid uhličitý takto. Tak či tak, kyslík si přitahuje dva elektrony od uhlíku. Kyslík má tedy oxidační číslo -2. Tento kyslík si bere dva elektrony od uhlíku. Kyslík má tedy oxidační číslo -2. A uhlík tady přichází o všechny čtyři valenční elektrony ve prospěch kyslíku. Uhlík má poté oxidační číslo +4. Můžeme si představit, že ztratil čtyři elektrony. Protože mu jsou odebírány. To je uhlík. Mohli jsme tedy napsat oxidační číslo uhlíku +4. Každý kyslík má pak oxidační číslo -2. Později si můžeme spočítat celkový součet. Když se podíváme na vodu - jak jsem již viděli předtím - kyslík přitahuje dva elektrony, jeden od každého vodíku. Oxidační číslo kyslíku bude -2. Oba vodíky mají oxidační číslo +1. Pokud chceme provést reakci buněčného dýchání napůl a z chemického hlediska, když vezmeme v úvahu pouze elektrony, můžeme bezprostředně říci, že na této straně začínám s dvanácti vodíky. Napíšu to tímto způsobem. Na levé straně dvanáct vodíků. Všechny mají oxidační číslo +1. Proběhne buněčné dýchání. A nyní mám dvanáct vodíků. Těch dvanáct vodíků můžu napsat trochu jiným způsobem. Stejně mají ale všechny +1. Každý z nich má oxidační číslo +1. Z hlediska oxidace a redukce se s vodíkem neděje nic. Teď jak s uhlíkem. Uhlík. Na levé straně reakce máme šest uhlíků. Mají oxidační číslo 0. Ale co se stane na pravé straně reakce? Mám teď šest uhlíků. Napsaných poněkud odlišně. Přesto jich mám šest. Všechny mají oxidační číslo +4. Znamená to, že ztratily čtyři elektrony. Nebo se jejich náboj zvýšil díky ztrátě čtyř elektronů. Ztrácí totiž záporně nabité elektrony. Šest uhlíků skončí po proběhnutí buněčného dýchání jako šest oxidovaných uhlíků s oxidačními čísly +4. Každý uhlík tak ztratil čtyři elektrony. Máme jich šest. Čtyři krát šest je dvacet čtyři elektronů. To jsou elektrony, o které uhlík přišel. Během reakce buněčného dýchání je tedy uhlík oxidován. Uhlík je oxidován. Oxidace znamená ztrátu elektronů. Když napíšeme polovinu reakce buněčného dýchání, uhlík ztrácí, šest uhlíků ztrácí celkem dvacet čtyři elektronů. A konečně, kdybychom provedli reakci s kyslíkem na této straně. Ztratil jsem svoji rovnici nahoře. Máme tu dva kyslíky. Napíšu je trochu víc od sebe. Mám šest kyslíků, které mají oxidační číslo -2. Na levé straně. Nakreslím je tímto způsobem. Mají oxidační číslo -2. A potom tady mám dvanáct kyslíků, které jsou zcela neutrální. Dvanáct kyslíků, které jsou zcela neutrální. Nebudu sem ani psát oxidační číslo. Co se stane, když proběhne buněčné dýchání? Tak, teď mám v oxidu uhličitém dvanáct uhlíků s oxidačním číslem -2. Šestkrát O2. Z oxidu uhličitého si je napíšeme sem dolů. Mám šest molekul kyslíku O2 s oxidačním číslem -2. Potom mám dalších šest kyslíků, které mají oxidační číslo -2. Přičteme si tedy šest kyslíků s oxidačním číslem -2. Když se nad tím zamyslíme, na všech kyslících na levé straně jsem neměl oxidační čísla. Tyto byly neutrální. Mám šestkrát -2, to je -12. Můžeme se na to podívat více méně jako na celkový náboj všech šesti. Šestkrát -2. Tady mám šestkrát -2, což odpovídá -12. Pak mám šestkrát dva kyslíky v molekule. To je dvanáctkrát -2. Což je -24. Takže abych se dostal z hodnoty -12 na celkovou oxidaci nebo náboj -36, musel jsem někde získat 24 elektronů. Kyslík získal těch samých 24 elektronů, které uhlík ztratil. Z hlediska chemie je vše velice jasné. Uhlík byl oxidován. A kyslík elektrony získal - "RIG" Redukce je zisk elektronů. Kyslík je redukován. Všechno je to tak trochu opakování. Je ale pěkné se na to podívat v souvislosti s buněčným dýcháním. Tak trochu nám to odpovídá na jednu z našich otázek: odkud pochází uvolněná energie? V každé chemické reakci, kde je energie uvolněna, je to proto, že elektrony se přesouvají z vyšší energetické hladiny do nižší. Pokud mám elektron ve vyšší energetické hladině, a je schopen se posunout do stabilnějšího stavu do orbitalu s nižší energií. Nižší energie nebo stabilnější stav. Vytvoří se energie ve formě tepla nebo se možná nějak podílí na tvorbě molekul ATP. Když vidíme tyto poloviční reakce, vidíme dvacet čtyři elektronů, které v reakci ztrácí uhlík, který se oxiduje. Elektrony získá kyslík. Elektrony se přesunují v celé sérii kroků. Všechno se nestane najednou. Děje se to krůček po krůčku. Jak se elektrony přesunují, vstupují do stále nižších energetických stavů. A jak elektrony do nižších energetických stavů vstupují, v podstatě přesunem od uhlíku ke kyslíku, vzniká energie. Tak vzniká energie potřebná k vytvoření třiceti osmi molekul ATP. Doteď jsme mluvili o tom, jak se na oxidaci dívá chemik. Na začátku videa jsem se zmínil o tom, jak se na oxidaci dívá biolog. Potom jsme viděli buněčné dýchání z pohledu chemika, který jasně ukazuje, že uhlík je během reakce oxidován. Přichází o své elektrony. A jak kyslík je redukován. Elektrony získává. Je redukován. Viděli jsme, jak se elektrony v podstatě od uhlíku tady přesunují ke kyslíkům tady. Teď jak se drží naše biologická definice? V tomto případě se drží celkem dobře. Protože jak si můžeme představit, všechny vodíky v rovnici se spojují s glukózou. Jsou navázány, pokud se podíváme na vzorec glukózy. Vodíky se váží s uhlíky nebo s kyslíky. Jsou tedy navázané buď na uhlíky nebo na kyslíky. A když se přesuneme na prvou stranu rovnice, váží se všechny vodíky pouze na kyslík. To hlavní, uhlík rozhodně ztratil vodíky. Kyslík zase zcela jistě vodíky získal. Teď to sepíšu. Vidíme, že během dýchání uhlík o vodíky přišel. Uhlík přišel o vodíky. Kyslík vodíky získal. Kyslík získal vodíky. To se nemění. Protože víme, že ztrátou uhlíků dochází z úhlu pohledu biologa k oxidaci. A jejich ziskem naopak k redukci. Když to uvidíme, může nám to tak trochu dávat smysl. A když vyznačím mechanismus reakce, doufám, že nebude vypadat příliš hrozivě, proces přesunu vodíků je usnadňován molekulami NAD+ a FAD. To uvidíme. Opravdu, chceme-li sloučit biologický a chemický pohled na věc, během přesunu vodíků z jednoho elektronegativního atomu ke druhému elektronegativnímu atomu, co se skutečně přesunuje, je možnost elektrony přitahovat. Pokud se k uhlíku váže vodík, uhlík si přitáhne jeho elektrony. Když se ale přesune atom vodíku od uhlíku ke kyslíku - přesunuje se celý atom, nejenom jádro - získal kyslík ten elektron, který si může přitáhnout. Uhlík o něj naopak přišel. Uhlík se tak oxidoval a kyslík zase redukoval. Tento fakt jsem zmiňoval v předchozích videích. Pravděpodobně nejvíce matoucí věc ohledně oxidace je, že chceme pokaždé říci: "Dobře, to muselo nějak souviset s kyslíkem." A taky ano. Pes je zakopaný v tom, co by v různých situacích udělal kyslík. Kyslík, který se váže na jiné prvky ztrácí, tedy odebírá jejich elektrony. Nebo v reakci často sebere atomy vodíků. Vodíky si odebral v této reakci, a to od uhlíku. Odtud pochází pojem oxidace. My ale nemusíme mít nikde v reakci přítomný kyslík, aby proběhla oxidace nebo redukce. Závěrem, snad jsou informace, které jsem v tomto videu podal, náležitě užitečné. Ve skutečnosti jsem s velkou nelibostí zjistil, že jsem zpohodlněl s chemickou definicí oxidace a redukce. Teď najednou otevřeme učebnici biologie, kde začnou mluvit o ztrátě a zisku atomů vodíků, oproti ztrátě a zisku elektronu. A chvilku mi trvalo tyto dva pojmy sloučit.