R EDOXREAKCIÓK A POTENCIÁLTÉRBEN Ez a prezentáció azt szemlélteti, hogy hogyan érdemes elképzelnünk a különböző redoxpotenciálú anyagok között végbemenő.

Az előadások a következő témára: "R EDOXREAKCIÓK A POTENCIÁLTÉRBEN Ez a prezentáció azt szemlélteti, hogy hogyan érdemes elképzelnünk a különböző redoxpotenciálú anyagok között végbemenő."— Előadás másolata:

1 R EDOXREAKCIÓK A POTENCIÁLTÉRBEN Ez a prezentáció azt szemlélteti, hogy hogyan érdemes elképzelnünk a különböző redoxpotenciálú anyagok között végbemenő redoxi reakciókat (vagyis elektronátvitellel járó reakciókat) egy redoxpotenciál- skála energialejtőjén. + - Szemből nézzük az energialejtőt: Az elektronok pozitív irányba, vagyis lefelé(!) önként „gurulnak” (energiát adnak le). Zn 0 Zn +2 Cu +2 Cu 0 E „Fölfelé”, vagyis negatív irányba csak akkor „gurul” az elektron, ha fölfelé „toljuk/húzzuk”, vagyis valahogy energiát közlünk vele. Külső energiabefektetés árán a negatívabb redoxpotenciálú anyag is oxidálhatja a pozitívabbat. Redoxpotenciál Tehát a kisebb redoxpotenciálú anyagtól mozognak az elektronok a pozitívabb felé. Más szóval a nagyobb redoxpotenciálú anyag (réz) oxidálta a kisebb redoxpotenciálút (cink). (Avagy a cink redukálta a rezet – ez csak megfogalmazás kérdése.) Ez a gurulás természetesen nem jelent a valóságban térbeli mozgást, csak energiaszintbeli változást! E Ezt az ábrázolásmódot gyakran használjuk, különösen a fotoszintézis tárgyalásakor. Nézzük meg, hogy az élővilág különböző anyagcseretípusai hogyan hasonlíthatók össze az energialejtős ábrázolással! Az i betűkre kattintva további szöveges információhoz juthatsz. további szöveges információ Tauber Tamás Mik is azok a redoxireakciók? Tartalomhoz

2 Zn 0 Zn +2 S -2 S +6 H 0 H +1 + 6 O 2 O: 0 C: +1 C: 0 C: -1 6 CO 2 + 6 H 2 O C: +2; O: -2 + Hőenergia ADP + Pi ADP~P (ATP) Kémiai energia - C 0 C +2 O -2 O 0 C 0 C +2 O -2 O 0 Redoxpotenciál 4H 2 + SO 4 2- 4H 2 O + H 2 S H: 0 S: +6; ADP + Pi ADP~P (ATP) Kémiai energia Glükóz kémiai égése (oxidációja) Glükóz biológiai égése (aerob légzés során) Hidrogén biológiai égése (oxidációja) anaerob szulfátlégzés során. (Szulfátredukáló baktériumok kénhidrogéntermelése) Zn 0 + Cu 2+ Zn 2+ + Cu H: +1 S: -2; Cu +2 Cu 0 Daniell elem működése (cink oxidációja) Zn: +2; Cu: 0 A piros és lila számok az atomok oxidációs számát mutatják. Mi az az oxidációs szám? Az oxidációs szám a kémiában az egyes atomok oxidációs állapotának leírására szolgáló előjeles egész szám. A negatív oxidációs szám elektrontöbbletet, a pozitív érték elektronhiányt jelent. Szabályok: •Az elemi állapotú anyagok oxidációs száma 0. •Vegyületekben az atomok oxidációs számát megkapjuk, ha a kötő elektronokat képzeletben az elektronegatívabb atomhoz rendeljük, és töltésként fogjuk fel. Például a vízben a kötő elektronokat mind az oxigénhez kell rendelnünk. Így az oxigén látszólagos töltése -2 lesz, míg a hidrogéneké egyenként +1. Ez az oxidációs számuk. •Egyatomos ionok oxidációs száma megegyezik az ion töltésével. •Több atomból álló atomcsoport (vegyületek, molekulák) esetén az egyes atomok oxidációs számainak összege megegyezik az atomcsoport elektromos töltésével. Tehát a kifelé semleges töltést mutató molekulák esetén az oxidációs számok összege 0. Ha az oxidációs számok összege nem 0, akkor a részecske elektromos töltéssel rendelkezik (összetett ion). A OH - (hidroxid) ionban az oxigén oxidációs száma -2, a hidrogéné +1: összegük azonos az ion töltésével. •A fluor mindig -1 oxidációs számot kap a vegyületeiben. •Vegyületeiben az oxigén legtöbbször -2 oxidációs fokú, kivéve a peroxidokat és a szuperoxidokat, valamint a fluorral alkotott vegyületét. •Vegyületeiben a hidrogént mindig +1 oxidációs számmal jellemezhetjük, kivéve a fém-hidrideket, ahol ez -1. A biológiában fontos elemek elektronegatívitás-sorrendje: F > O > Cl > N > S ≈ C > P > H > … alkáli (föld)fémek stb. i Biológiai égés esetén természetesen nem távozik el hőként az összes energia. Mivel ez az égés enzimek (biokatalizátorok) felületén megy végbe, a felszabaduló energiát ezek átveszik, majd ATP molekula pirofoszfát-kötésébe tárolják. Így később ellenőrzött módon lesz felszabadítható és használható az energia. A biológiában a redukálószert (amelyik adja az elektront) gyakran elektrondonornak, az oxidálószert (amelyik fogadja az elektront) pedig elektronakceptornak nevezzük! (Ez esetben például az oxigén az elektronakceptor, és a szén az elektrondonor. Baktériumok között sok más anyag is lehet elektrondonor és -akceptor. Minél nagyobb a donor és akceptor redoxpotenciál- különbsége, annál több energia nyerhető a reakcióból. i Tartalomhoz

3 A fotoszintézis kémiai szempontból épp a légzés (égés) megfordítása C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O glükózra: E légzés: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O fotoszintézis: E Fotoszintézisnél energiát kell befektetni, mert az oxigént oxidáljuk és a szenet redukáljuk. Ezt biztosítja a napfény. Tartalomhoz

4 + 6 O 2 O: 0 = 6 CO 2 + 6 H 2 O C: +2; O: -2 + ADP + Pi ATP) - C 0 C +2 O -2 O 0 Redoxpotenciál Glükóz biológiai égése (aerob légzés során) fotoszintézis (= fotoredukció) folyamata hh C: +1 C: 0 C: -1 vízbontás A CO 2 szenének redukciója Tartalomhoz

5 Milyen elektrondonor-akceptor párok léteznek még, és milyen anyagcseretípusok kapcsolódhatnak ezekhez? Tartalomhoz

6 NH 3 N 2 N 2 O NO NO 2 - NO 3 2- szénhidrát szerves szénlánc szerves sav szerves alkohol H 2 O O 2 NADH NAD + + - redoxpotenciál H 2 S S 0 S 2 O 3 SO 3 2- SO 4 2- Fe 2+ Fe 3+ glikolízis, citrátkör terminális oxidáció CO2CO2 erjesztők vaslégző baktériumok vasbaktériumok denitrifikáló bektériumok kénbaktériumok Thiobacillus denitrificans nitrifikáló baktériumok a e r o b l é g z ő k aerob fotoszintézis (cianobaktériumok, növényi színtest) red. ox. Kemoszintetizáló autotrófok heterotrófok red. ox. red. ox. red. ox. red. ox. red. ox. i i i i i i i i A vasbaktériumok elektrondonornak Fe 2+ ionokat használnak, és oxigén elektronakceptorral oxidálják ezeket Fe 3+ ionokká. A felszabadult energiával élnek. A képződő vas-III- oxid (Fe 2 O 3 ) a rozsda. A fémvas (Fe 0 ) víz jelenlétében könnyen Fe 2+ ionokká alakul, ezek oxidálásával gyorsítják a vsasbaktériumok a fémtárgyak korrózióját. Tehát nem a fémvasat eszik, csak segítik annak átalakulását rozsdává. A nitrifikáló baktériumok nitrogénformákat oxidálnak a levegő oxigénjével. Többségük (Nitrosomonas spp. és más Nitroso- fajok) az ammóniát nitritté oxidálja, A Nitrobacter nemzetség fajai pedig a nitrit (NO 2 - ) nitráttá (NO 3 2- ) oxidálására képesek. Igen jelentősek a szerves anyagok lebontásában képződő ammónia növények számára felvehető nitráttá alakításában. Mivel oxigén az elektronakceptoruk, aerobok: a mezőgazdaságban talajlazítással segítik működésüket. A kénbaktériumok kénvegyületeket, elsősorban kénhidrogént (H 2 S) oxidálnak elemi kénné (S 0 ) vagy még tovább. Elektronakceptoruk általában az oxigén, de lehet más, a kénnél pozitívabb redoxpotenciálú anyag is. Léteznek ugyanakkor fotoszintetizáló kénbaktériumok is, melyek úgy használják elektrondonornak a kénhidrogént, hogy fényenergia segítségével NAD+-ot redukálnak vele (ehhez ugye „emelni” kell az elektront a redox-térben). Ők oxigén helyett elemi ként termelnek fotoszintézisükkel. (Ez a folyamat nem szerepel az ábrán.) A vaslégzésre képes baktériumok nem azonosak a vasbaktériumokkal! Ellenkezőleg: ők anaerob körülmények között vasionokat képesek elektronakceptorként redukálni redukálni, miközben szerves anyagokat oxidálnak. A denitrifikáló baktériumok elektronakceptornak használják az oxidált nitrogénformákat, így redukálják őket, de csak elemi N 2 -ig! Így képesek visszajuttani a légkörbe a talajok, vizek nitrogéntartalmát, amivel igen fontosak a nitrogén természetes körforgásában, ugyanakkor a mezőgazdaságban nem kedvelik ezt a tevékenységüket. Oxigénmentes (anaerob) környezetet igényelnek, sőt, némelyikük, ha mégis oxigénhez jut, abbahgyja a denitrifikálást és oxigénnel lélegzik tovább (hisz ez energetikailag ez jobban megéri). Az aerob légzők az egyik leghatékonyabb anyagcseretípus képviselői, mivel a legelektronegatívabb természetes elektronakceptorral oxidálják a szerves anyagokat. Nem csoda,, hogy igen elterjedtek. Ide tartoznak számos baktérium mellett a növények, állatok és gombák mitokondriumai is, ennél fogva az eukarióták is mind ide tartoznak. (A növények, miközben színtesteikkel fotoszintetizálnak, mitokondriumaikkal ugyanúgy lélegeznek, mint mi.) Az erjesztő baktériumok (és eukarióták) igen kis energetikai hatékonyságú anyagcserét végeznek csak, hiszen egy glükózból 2 ATP előállítására futja csak, ami a glikolízisben keletkezik. (oxigénlégzéssel 38 ATP jut egy molekula glükózra!) Sokuk ezért csak akkor fanyalodik erjesztésre, ha nem áll elegendő külső elektronakceptor a rendelkezésére. (Ezért kell például óvni az erjedő mustot, cefrét stb. a levegő oxigénjétől. Oxigén jelenlétében bolondok lennének erjesztéssel pepecselni az élesztők!) Léteznek ugyanakkor obligát (kötelezően) fermentáló szervezetek is a baktériumok között, például a joghurtot, savanyú káposztát erjesztő tejsavbaktériumok. Rájuk nézve az oxigén mérgező lehet. A Thiobacillus denitrificans nevű baktériumnitrogén elektronakceptorral oxidálja a kénformákat mint elektrondonorokat! (Igaz, oxigén jelenlétében átvált erre az akceptorra, hisz így több energiát szabadíthat fel sejtfolyamatai számára.) i i A piros keretben feltüntetett szervezetek mind szervetlen anyagok reakciójából nyerik energiájukat, tehát kemoszintetizálók. Mivel nem használnak szerves anyagokat energiaszerzésükben, sejtanyagaik szintéziséhez sem használhatják ezeket nyersanyagul. Ezért CO 2 -ot kell fixálniuk, mint a növényeknek, tehát autotrófok. (Értsük meg: Ha képesek vagy hajlandók volnának kívülről felvett szerves anyagokat bontogatni szintéziseik számára, akkor már valószínűleg energianyerésre is felhasználnák azokat, hiszen negatívabb redoxpotenciálú elektrondonorral több energiához lehet jutni.) A kék keretben feltüntetett szervezetek mind heterotrófok, vagyis idegen szerves anyagot használnak elektronakceptorul (pl. főzeléket fasírttal). A felvett szerves anyag egy részéből egyúttal saját magukat építik fel, vagyis nem szorulnak szervetlen szén redukciójára. Mi a helyzet a nitrogénfixáló (nitrogénkötő) baktériumokkal? A nitrogénkötésnek NINCS KÖZE a nitrogénfixáló baktériumok energiaszerző anyagcseréjéhez, így az ábrán sem kap helyet. Heterotróf anyagcserével előállított ATP-t áldoznak ezek a baktériumok a N 2 ammóniává redukálására, energetikai szempontból tehát ez ugyanolyan költséges élettevékenység számukra, mint mondjuk a mozgás vagy a szaporodás. KIEGÉSZÍTŐ INFORMÁCIÓK: A baktériumok sokszor nem szorítkoznak egyetlen anyagcseretípusra. Sokuk képes – az aktuális körülményeinek magfelelően – váltogatni anyagcseretípusát. (Erre nagyon korlátozottan mi is képesek vagyunk: oxigénhiányos állapotukban vázizmaink légzés helyett tejsavas erjeszetéssel jutnak némi energiához.) Érdemes egy kissé megdöbbenni azon, hogy bennünk, eukariótákban is egy baktérium-leszármazott, a mitokondrium végzi a légzést, míg a növényekben is egy cianobaktérium-leszármazott, a színtest (plasztisz) végzi a fotoszintézist. Bár ha jobban belegondolunk, az eukarióta sejt őse is csak egy prokarióta lehetett, így erjesztő képességeinket is tőlün örököltük. Hiába, baktériumokból van összerakva az élővilág (ld. endoszimbionta elmélet). Tartalomhoz

7 Ellenőrző kérdések Tartalomhoz