Биологични редукционни процеси

В това видео ще разгледаме биологичните редукционни реакции с алкохоли и феноли. Тук отляво имаме молекулата на етанола. Това е нашият двувъглероден алкохол. Въглеродът, който ни интересува, е ето този въглерод тук, който има една връзка с този кислороден атом. В черния дроб етанолът се окислява до етанал (ацеталдехид). Тук отдясно е молекулата на етанала, алдехид с два въглеродни атома. Пак потварям – интересува ни този въглерод в жълто. Лесният начин да определим, че етанолът се окислява до етанал, е като видим, че отляво имаме една връзка между този въглерод и кислород. Тук отдясно сега имаме две връзки между този въглерод и кислород. Увеличаване на връзките с кислород, значи е окисление. Можем също да определим степените на окисление на този въглерод. Ще видим, че има увеличение на степента на окисление на този въглерод. После можем да разгледаме електроните. "LEO the lion goes GER" (мнемоничен начин за лесно запомняне) – загубата на електрони е окисление придобиването на електрони е редукция. Ако разгледаме тези електрони тук в цикламено, виждаш, че тези електрони се отделят от етаноловата молекула. Загубата на електрони е окисление, етанолът се окислява. Щом етанолът се окислява, нещо друго трябва да се редуцира. Така става при окислително- редукционните процеси. Това, което се редуцира, е NAD+, е ето тук отляво NAD+ е никотинамид-аденин-динуклеотид. Аденинът е скрит в тази R-част. Имаме пръстен с азот, с амидна функционална група тук отдясно в никотинамидната част на молекулата. Формалният заряд +1 дава този плюс в NAD+. Това е никотинамид-аденин-динуклеотид или NAD+. И понеже етанолът се окислява, NAD+ се редуцира. Редукцията означава придобиване на електрони. NAD+ ще присъедини тези електрони тук в цикламено от етанола. Ако разгледаме възможния механизъм, ако взема тези електрони между кислорода и водорода, ако ги преместя тук, то ще се образува двойна връзка между въглерода и кислорода. Но тук ще има твърде много връзки при този въглерод тук. Така че цикламените електрони ще се преместят при този въглерод тук долу в NAD+, при този въглерод. Това ще изтласка тези електрони тук, а това ще измести тези електрони при този азот. Ако покажем какво се случва с движението на всички електрони... този въглреод тук отгоре вече е свързан с един водород. Той получи още един водород с два електрона. Тези два електрона са тези в цикламено ето тук. Този водород е ето този тук. Електроните в цикламено се преместват при този пръстен. После имаме също така и пи-електрони, които се преместват тук. После една несподелена електронна двойка се премества при азота. Тук все още имаме пи-електрони ето тук отдясно. Тази молекула се нарича NADН. Тя получи еквивалента на хидрид – водород с два електрона. Виждаме, че NAD+ получи два електрона. Получаването на електрони е редукция. Значи NAD+ се редуцира до NADН. Тъй като NAD+ се редуцира, това позволява на етанола да се окисли. Затова ще наречем NAD+ окисляващ агент. Той е окисляващият агент за етанола, макар че самият той се редуцира. Това е нещо, което понякога обърква учениците. И сега имаме тази молекула NADН. Тази реакция се катализира от един ензим, който е алкохол дехидрогеназа. Това се катализира от ензима алкохол дехидрогеназа. Тази реакция е обратима. Ако разлеждаме обратната реакция, тя е редукция на етанал (ацеталдехид) до етанол. Когато етаналът се редуцира до етанол, NADН се окислява до NAD+. Да разгледаме механизма, при който можем да окислим NADН и да редуцираме етанала. Ако взема една несподелена електронна двойка от азота, ако я преместя тук, това ще премести тези електрони ето тук. Сега електроните в цикламено от тази връзка тук... те ще атакуват този въглерод тук. Електроните в цикламено... можем да ги разглеждаме, че са ето тук. А това можем да разглеждаме като хидрид... т.е. водород с два електрона, който има формален заряд –1. И макар, че сме виждали в предишни видео уроци, че хидридът не е най-добрият нуклефил. Все пак можеш да разглеждаш това като нуклеофилна атака, ако ти е по-лесно така, защото въглеродът тук е частично положителен. Отрицателно заредените електрони ще атакуват този въглерод. При това тези пи-електрони ще присъединят този протон тук. Така се получава молекула етанол, а NADН се превръща отново в NAD+. Можем да разглеждаме това като окисление на NADН. То губи два електрона, тези електрони в цикламено. Загубата на електрони е окисление. И понеже NADН е агент за редуциране на етанала до етанол, можем да кажем, че NADН е редуциращият агент в този пример. Най-добрият начин да запомниш, че NADН е редуциращият агент е... той е този, който има водород. Той има хидрид, който може да е редуциращ агент. Затова NADН е редуциращият агент. Това превръщане между NAD+ и NADН и обратно е изключително важно в биохимията. То се случва при безброй биохимични реакции. Затова е важно да разбереш какво се случва с тези електрони в тези молекули. Да видим още един биохимичен пример с окисление и редукция. Тук отляво имаме фенол. Това е нашата фенолна молекула. Най-интересен ни е този въглерод, който е свързан с този кислород. Има много начини за окисление на феноли. Ако окисляваш фенол с нещо като реактив на Джоунс, натриев дихромат, сярна киселина и вода, той може да окисли фенола до тази молекула тук отдясно, която се нарича бензокуинон. Това тук отдясно е молекулата на бензокуинона. Много бързо можем да видим, че този въглерод тук има две връзки към кислород, така че той се е окислил. Фенолът се окислява до бензокуинон с помощта на много органични реагенти. След като получиш бензокуинон, можеш да го редуцираш до тази молекула тук отдясно, която се нарича хидрокуинон. Има няколко органични реагенти, които могат да редуцират бензокуинона до хидрокуинон. Ще поправя написаното тук. После от хидрокуинон можеш да имаш обратно окисление до бензокуинон много лесно. Пак повтарям, в органичната химия има много реагенти, които могат да извършат тези преобразувания. В тялото обикновено говорим за системата NAD+/NADН. Току-що я разгледахме. Ако погледнеш тук, можеш да видиш, че е куинон. Нали? Това е бензокуиноновата част от тази молекула. Това се нарича убикуинон. Уби идва от факта, че е в изобилие (от англ. ubiquitous). Това съединение е навсякъде. Намира се в клетката в природата. Другото му наименование е коензим Q. То е много важна част от електрон-транспортната верига. Ако погледнем убикуинона, превръщането му в тази молекула тук отдясно... това е като аналог на хидрокуинона. Това е убикуинол. Тези въглероди са редуцирани от тази химична реакция, която съм показал тук. Убикуинона се редуцира до убикуинол. Когато се редуцира убикуинона, нещо друго трябва да се окисли. NADН се окислява до NAD+. NADН е единственото съединение, което има хидрид, който може да служи като редуциращ агент. Така че тук NADH действа като редуциращ агент за редуцирането на убикуинона до убикуинол ето тук отдясно. Това е много опростен вид на част от електрон-транспортната верига. Тук се транспортират електрони, което евентуално води до окислително фосфорилиране и синтез на АТР, който ни дава енергия. Но аз нямам намерение да обясня подробно биохимичните процеси, а само да покажа как можеш да анализираш биохимичните процеси, като използваш знанията от органичната химия и важността на NADH и NAD+ в биологичните системи.