Oxidace a redukce z biologické perspektivy Zopakujte si pojmy oxidace a redukce, které znáte z chemie. Navíc se dozvíte, jak to celé souvisí s přijímáním nebo ztrátou vodíků.

Chci v tomto videu zopakovat, co jsme se naučili v chemii o oxidaci a o jejím opaku - redukci. Pak se chci podívat na to, jak chemická podstata věci zapadá do kontextu biologie nebo biochemie. A když se vše podaří, uvidíme, že oboje je jedno a to samé. Jen krátké opakování, pokud jste zhlédli videa o chemii. Na oxidaci se můžeme podívat - vlastně existuje na to známá mnemotechnická pomůcka. Zní: OIL RIG, kde OIL nám říká, že oxidace je "ztráta" - dávám to do uvozovek, protože nemusí nezbytně dojít ke ztrátě elektronů, k tomu se dostaneme později - tedy oxidace je "ztráta" elektronů. To jste se měli dozvědět v chemii. A pak jste se také dozvěděli, že redukce je "příjem" - a to dávám také do uvozovek - je to "příjem" elektronů. Do uvozovek to dávám proto, že nezbytně nemusí dojít k příjmu elektronů. Spíš k přivlastnění. A důvod, proč se tento děj nazývá redukce, je ten, že pokud přijímáte elektrony, váš pomyslný náboj - kdyby jste je skutečně přijímali - je tím redukován. A důvod, proč se opačný děj nazývá oxidace, je ten, že ke ztrátě elektronů většinou dochází ve prospěch kyslíku. Ovšem nemusí to být pouze kyslík. Může to být jakákoliv molekula, která si přivlastní vaše elektrony. Myslím, že nějaký hezký příklad by celou věc osvětlil. Řekněme, že si připravím molekulový vodík, který je v plynném skupenství, a spálím ho v prostředí s molekulovým kyslíkem. Tohle se stalo se vzducholodí Hindenburg. Naplnili balon vodíkem a někde se vytvořila jiskra, a jelikož byl přítomen i kyslík, tak následovala obrovská exploze. V průběhu reakce máme na každý mol molekulového kyslíku dva moly molekulového vodíku - jen si dávám pozor, aby ta rovnice byla vyvážená - produktem reakce jsou dva moly vody a spousta tepla. Tahle věc vážně bouchne. Mohli bychom mluvit o Hindenburgu, ale důvod, proč jsem tohle napsal je, že chci ukázat, co se oxiduje a co se redukuje. Takže v tomhle případě právě zde, na vodíku, molekulový vodík vypadá takto. Mezi atomy vodíku existuje kovalentní vazba. Sdílejí navzájem svůj elektron tak, aby mohly předstírat, že jejich orbital 1s je zcela zaplněn. Takže tady k žádné ztrátě elektronů nedochází. Nepřivlastňují si elektron toho druhého. Říkáme tedy, že jsou neutrální, mají oxidační číslo rovné nule. Nepřijaly ani neztratily žádné elektrony. Jen je sdílejí. To samé platí pro molekulový kyslík. A mezi atomy kyslíku je ve skutečnosti dvojná vazba. Ale oba atomy jsou kyslíky, takže není důvod, proč by mělo dojít ke ztrátě či příjmu elektronů. Ale když se přesuneme na tuto stranu rovnice, stane se něco zajímavého. Na každý kyslík zde připadají dva vodíky. A představit si to můžeme tak, že kyslík si přivlastňuje elektrony těchto vodíků. Vodík má ve valenční vrstvě jeden elektron. U kovalentních vazeb jde o to, že jeden atom dá druhému elektron a stejně tak druhý dá elektron prvnímu tak, že oba sdílejí kompletní pár. Ale víme nebo si zopakujeme, že kyslík má mnohem vyšší hodnotu elektronegativity než vodík. Tohle je glukóza, která tu zbyla z natáčení videa o buněčném dýchání. Teď tomu nemusíte věnovat pozornost, ale celé to propojím v dalším videu. Když se podíváme ne periodickou tabulku, jestli si pamatujete z videí o chemii, hodnota elektronegativity stoupá diagonálně směrem doprava nahoru. Prvky s nejvyšší hodnotou elektronegativity jsou zde, zde jsou prvky s nejnižší hodnotou elektronegativity. Hodnota elektronegativity udává, jak moc si prvek přivlastňuje elektrony. Přestože mají kyslík a vodík mezi sebou kovalentní vazbu v molekule vody - sdílejí elektrony - kyslík má mnohem vyšší hodnotu elektronegativity než vodík, takže si elektrony přivlastní. Dokonce pokud vezmete některé prvky z této oblasti a vytvoříte vazbu s prvky z této oblasti, tyto prvky z pravé části tabulky mají o tolik vyšší elektronegativitu než prvky z levé části tabulky, že sdílené elektrony ukradnou, nejen přivlastní. Ale když se mluví o hodnotách elektronegativity, znamená to jen, jak moc má daný prvek rád elektrony. Když se tedy podíváme na tuto vazbu mezi kyslíkem a vodíkem, viděli jsme v periodické tabulce, že kyslík má vyšší elektronegativitu, takže v této vazbě elektrony stráví mnohem více času v blízkosti kyslíku. Říkali jsme si o vodíkových vazbách. Na této straně molekuly vody se vytváří parciální záporný náboj a na opačné straně naopak parciální kladný náboj. Jednou za čas se elektrony ukáží i v blízkosti vodíků. Když mluvíme o oxidaci a redukci, nejedná se o žádné parciální náboje. Pokud si jeden prvek přivlastňuje elektrony více, pak kvůli oxidačnímu číslu předpokládáme, že si tento elektron vzal. Při určování oxidačního čísla předpokládáme, že kyslík v molekule vody elektron úplně přebral a přiřadíme mu oxidační číslo 1-. Dohodou je náboj psán za číslo udávající oxidační stav. Aby se to celé nepletlo se skutečným nábojem. Má tedy oxidační číslo 1-, protože z pohledu oxidačního stavu si jeden elektron bere. Přijímá jeden elektron. Proto jsem to na začátku uvedl v uvozovkách. Protože ho ve skutečnosti nepřijímá. Jen se většinu času zdržuje v jeho blízkosti. Přivlastňuje si ho. A tak stejně s tímhle vodíkem - pozor na to, tohle není - kyslík si přivlastnil jeden elektron od tohoto vodíku a další elektron od tohoto vodíku. Místo 1- by to tedy mělo být 2-. Mělo by to být 2-, protože si přivlastňuje jeden elektron odsud a jeden odsud. Obecně řečeno, pokud kyslík vstupuje do vazby s jinými atomy nebo prvky, má obvykle oxidační číslo 2-. Takže tenhle má oxidační číslo 2-, protože "získal" 2 elektrony - opět psáno v uvozovkách. "Získal" dva elektrony. Víme, že je ve skutečnosti nezískal, jen si je přivlastňuje. Tyhle vodíky každý ztratily po elektronu. Jejich oxidační číslo je tudíž 1+. Takže spalováním vodíku s kyslíkem - vodíky předtím měly oxidační číslo rovno nule, oba tyto vodíky měly oxidační číslo rovno nule - ale nyní mají oxidační číslo rovno 1+, protože ztratily své elektrony, když vstoupily do vazby s kyslíkem. Říkáme tedy, že tyto vodíky byly oxidovány. Takže v důsledku této reakce byly vodíky oxidovány. Proč byly oxidovány? Protože před reakcí v molekulovém vodíku docházelo k rovnoměrnému sdílení elektronů. Ale pak vytvořil vazbu s kyslíkem, který si jeho elektrony přivlastnil. Takže vodík ztrácí své elektrony ve prospěch kyslíku, byl tudíž oxidován. Podobně je to s kyslíkem, ten byl po reakci redukován. Proč byl redukován? V molekulovém stavu elektrony rovnoměrně sdílel. Neztrácel je ani nepřijímal. Ale zde v molekule vody, kde je ve vazbě s prvkem s mnohem nižší hodnotou elektronegativity, si naráz elektrony přivlastnit může, přijímá je. Takže tento pomyslný náboj je redukován o dva. Kdybych chtěl sledovat všechny elektrony, neboť tu mluvíme o jejich ztrácení a přijímání, můžu napsat obě poloreakce. Tohle by všechno mělo být opakování z hodin chemie. Ale opakování matka moudrosti. Dám tohle video do biologické sekce, aby si biologové mohli osvěžit v této oblasti paměť. Můžeme napsat dvě poloreakce. Můžeme říct, že jsme začali s dvěma moly molekulového vodíku. Jejich oxidační číslo je nulové, jsou neutrální. Takže sem můžu napsat nulu. A po reakci získám - na druhé straně reakční rovnice získám - dva moly molekulového vodíku. Ale každý z těchto vodíků má nyní oxidační číslo rovno 1+. Nebo jinak - každý z nich - jsou tu čtyři vodíky. Tohle je molekulový vodík, který má v molekule dva atomy vodíku, a my máme dva moly molekulového vodíku. Takže tu máme celkem čtyři vodíky. Každý z nich ztratil jeden elektron. Takže napíšu: "+ 4 elektrony". Tohle je poloreakce pro vodík. Ztratil 4 elektrony. Jinými slovy vodík byl oxidován, protože ztratil elektrony. OIL: Oxidation Is Loosing (pozn. oxidace je ztráta). A pak další poloreakce, kdybych měl psát poloreakci pro kyslík. Začínáme s molem molekulového kyslíku a přidávám k tomu 4 elektrony. Nemůžu vyrobit elektrony z ničeho. Získávám ty elektrony z vodíků, dávám je kyslíku. A tak na této straně poloreakce získám dva moly - můžu to napsat takto - dva moly kyslíku. Každý z nich má oxidační číslo 2-. Takže tohle jsou poloreakce. Ukazuju tím, že vodík v průběhu spalné reakce ztratil elektrony. A kyslík tyto elektrony přijal. To znamená, že kyslík byl redukován. To je všechno hezké a taky trochu opakování toho, co jsme se naučili v chemii. Ale teď vám úplně popletu hlavu. Protože vám ukážu, jak o celé věci přemýšlí biolog. Není to vždycky tak, někdy biolog použije definici, kterou jste se naučili v chemii. V mnoha různých učebnicích biologie se dočtete - a tohle mě vždy velmi mátlo - že oxidace je ztráta vodíkových atomů. A redukce je příjem vodíkových atomů. Když jsem to zprvu studoval, říkal jsem si, tohle jsem se přece učil v chemii a tam mluvili o elektronech. Vodíkový atom je přece proton a elektron. jakou to má souvislost? A tohle je vlastně centrální myšlenka tohoto videa. Důvod, proč jsou obě definice konsistentní, je tento. V biologickém světě je to vodík, který je vyměňován. Vytváří vazby s uhlíkem, kyslíkem, fosforem, dusíkem. Když se podíváme na periodickou tabulku, vidíme, kde je vodík a kde uhlík, dusík, kyslík a fosfor a vlastně všechny další prvky. Vidíme, že všechno, s čím se vodík v biologických systémech váže, má mnohem vyšší hodnotu elektronegativity než on sám. Pokud se tedy s vodíkem váže uhlík, je to uhlík, který si elektrony přivlastňuje. V případě, že vodík je přenesen na kyslík, spolu se svým elektronem, uhlík ztratí vodíkový atom, ale ve skutečnosti ztratil ten elektron, který si přivlastňoval. A nyní si ho může přivlastnit kyslík. Takže tyto definice jsou konzistentní. A jediný důvod, proč jsem vám ukázal tento příklad, je, že zde biologická definice neplatí. Můžete rozhodně říct, že kyslík přijímá vodíky v této reakci. Takže stále můžeme říct, že je kyslík redukován, v souladu s biologickou definicí. Ale už moc nejde tvrdit, že vodík ztrácí vodíky. V tomhle případě vodík prostě jen ztrácí elektrony. Neztrácí sebe sama. Možná by jste mohli tvrdit, že ztrácí sebe, neboť je převzat. Ale biologická definice vychází ze stejného principu. A ta je, že když vodík vytváří vazby s většinou atomů v biologických sloučeninách, má sklon elektrony poskytovat. Takže když uhlík ztratí vodík a předá ho kyslíku, uhlík ve skutečnosti ztratí elektron, který si od vodíku přivlastňoval. A nyní si ho přivlastňuje kyslík. Takže uhlík bude oxidován a kyslík redukován. Doufám, že jsem vás nezmátl. V příštím videu vám ukážu pár dalších příkladů. Mluvím o tomhle proto, abychom to mohli aplikovat na buněčné dýchání. Aby vás nemátlo, když lidé začnou říkat, že NAD je redukován příjmem vodíku. Nebo že je oxidován, když tento vodík ztrácí, a tak dále. Chci, abyste viděli, že tohle jsou ty samé definice, které jste se naučili v chemii.