If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание
Текущее время:0:00Общая продолжительность:17:08

Окисление и восстановление в клеточном дыхании

Транскрипция к видео

Теперь, когда мы немного повторили окисление и восстановление, посмотрим, сможем ли мы применить наши знания, чтобы заново понять процесс клеточного дыхания. Итак, в процессе клеточного дыхания, к каждой молекуле глюкозы C6H12O6, мы добавляем… Очевидно, она в виде раствора. Растворена в воде. Мы добавляем сюда шесть молекул кислорода. Затем в клетке постадийно происходит клеточное дыхание. Я сделаю об этом больше роликов. Клеточное дыхание. Сокращу. В результате образуется 6 молекул диоксида углерода. Чтобы протекал процесс клеточного дыхания, мы должны вдохнуть шесть молекул кислорода и выдохнуть диоксид углерода, потому что это просто побочный продукт клеточного дыхания. Шесть молекул диоксида углерода, шесть молекул воды. Ведь смысл клеточного дыхания в том, что кроме всего этого в ходе реакции образуется некоторое количество энергии. Наши тела запасают эту энергию. Некоторая ее часть превращается в тепло. Но суть клеточного дыхания в том, чтобы запасти ее в виде 38 молекул АТФ, которые, как мы знаем, являются энергетическими единицами в биологических системах. Затем наши тела или, в общем случае, любые биологические системы, могут использовать АТФ для сокращения мышц, генерации нервных импульсов, роста клеток, деления клеток – всего, что должна выполнять биологическая система. В прошлом ролике мы немного узнали об окислении и восстановлении, поэтому давайте применим эти понятия здесь. Как мы узнали из прошлого ролика, химики говорят… Я напишу это. Химики говорят, что окисление означает потерю электронов, или неспособность их оттягивать на себя. Потеря электронов. Также химики говорят, что восстановление – это приобретение электронов. Это тоже записываем. Восстановление - это приобретение электронов. Если вам трудно запомнить, есть правило: Окисляться значит Отдавать. Кислород отдает электроны. А Восстановление – это Приобретение. Вот так. Окисляться - Отдавать. Так учили на уроках химии. Биологи и биохимики скажут: «Знаете, я бы дал немного другое определение». Биолог скажет, что окисление – это потеря атома водорода, а восстановление – это приобретение атома водорода. Как мы видели в прошлом ролике, это определение трудно применить по отношению к водороду, потому что атом водорода вряд ли может потерять себя самого или себя же приобрести. И мы отметили, что обе эти идеи согласуются, потому что, если речь идет об углероде, то он теряет атом водорода. Допустим, у меня есть вот такое соединение. Может, тут есть какие-то еще связи. А затем на этом атоме углерода… Допустим, есть такой углерод и кислород, который связан, например, с другим кислородом. Думаю, очень схематичное объяснение. Может быть, этот кислород связан с чем-то еще. Вот с чего я начну. Пусть в другой части уравнения получится нечто такое. Здесь углерод связан с кислородом. А этот второй кислород связан с водородом. Биолог скажет: «Этот углерод окислился, потому что он потерял водород». Водород переместился отсюда – покажу это другим цветом – от этого углерода к кислороду. И биолог к тому же заметит, что этот кислород восстановился. Он восстановился, так как приобрел водород. Но химическое определение, которое мне нравится больше, гласит: так как углерод более электроотрицательный, мы видим, что углерод более электроотрицательный, чем водород. Правда? А кислород более электроотрицательный, чем углерод. Если любой из них образует связь с водородом, они оттянут электроны на себя. Итак, углерод оттягивает электрон. Оттягивает электрон на себя. А здесь кислород оттягивает электроны с углерода. Кислород оттягивает электрон. Запишем это. Теряя водород, углерод теряет возможность оттягивать электроны. И так как он образовал связь с кислородом, он не только не может оттягивать электроны водорода, но и его электроны захвачены более электроотрицательным атомом. Вот почему два определения согласуются между собой. То же самое с кислородом. Он связан с другим кислородом и ничего на себя не оттягивает. Но когда он приобретает водород, он может оттягивать электроны водорода. Потому что он более электроотрицательный. Или же вы можете сказать, что он принимает электроны. Именно по этой причине два определения согласуются. Хотя в некоторых случаях они противоречат друг другу, если мы имеем дело не с атомами водорода. Химическое определение имеет более широкое применение. Иногда биологическое определение нагляднее. Вы запросто именно его можете увидеть в учебнике. Вернемся к клеточному дыханию и попробуем понять, что окисляется и что восстанавливается. Взглянем сюда. Здесь изображена глюкоза. Я скопировал картинку молекулы глюкозы из Википедии. Вообще-то, здесь есть ошибка. Наверное, мне надо отредактировать рисунок. Здесь должен быть еще один водород, связанный с этим углеродом. Как вы видите, все водороды связаны либо с кислородом, либо с углеродом. Слева они связаны либо с кислородом, либо с углеродом. Если мы хотим написать степень окисления, заметим, что в каждом случае они связаны с более электроотрицательными атомами. Поэтому они будут отдавать электроны. И иметь степень окисления плюс один. Кислород везде связан либо с углеродом, либо с водородом. Кислород, связанный с углеродом или водородом, будет перетягивать электроны к себе. Таким образом, все кислороды в глюкозе имеют степень окисления два с минусом, или минус два. А углерод… Так как вся молекула нейтральна, может показаться, что углерод будет иметь нулевую степень окисления. И если вы посчитаете, вы обнаружите, что большинство атомов углерода действительно имеет нулевую степень окисления. Я обведу несколько. Например, этот углерод оттягивает электрон от этого водорода. Но этот кислород оттягивает электрон с него самого. C углеродом, конечно же, ничего не происходит. Итак, нулевая степень окисления. У этого нулевая степень по той же причине. У этого тоже. И этот имеет нулевую степень по той же причине. Этот связан с двумя углеродами. Один электрон оттягивает кислород. Но сам он оттягивает электрон с водорода. Поэтому нулевая степень. Итак, четыре атома углерода имеют нулевую степень окисления. С этого углерода атомы кислорода оттягивают два электрона. Один он забирает обратно у водорода. Поэтому его степень окисления плюс один. Этот находится в противоположной ситуации - он оттягивает электроны с двух водородов. И отдает один кислороду. Поэтому его степень окисления – минус один. В итоге, молекула не заряжена. Можно сказать, что в среднем атомы углерода в глюкозе имеют нулевую степень окисления. Я пользуюсь химическим определением. И я собираюсь продемонстрировать, что, по большому счету, они эквивалентны. У этих кислородов нет степени окисления. Потому что они связаны друг с другом двойной связью. Выделю поярче. Нет степени окисления или нулевая степень, потому что они связаны двойной связью с кислородом. Никто ничего не оттягивает. Электроотрицательность у них, естественно, одинаковая. Посмотрим на продукты, диоксид углерода выглядит таким образом. Оба кислорода оттягивают по два электрона от углерода. Поэтому степень окисления у них минус два. Этот кислород оттягивает два электрона от углерода. Поэтому степень окисления у него минус два. Этот углерод отдал все свои валентные электроны, все четыре электрона кислороду. Поэтому у него степень окисления плюс четыре. Потерял четыре электрона, только представьте себе. Их от него оттянули. Итак, с углеродом разобрались. Напишем здесь на углероде плюс четыре. На кислородах минус два. Потом мы можем посчитать сумму формальных зарядов. Теперь перейдем к воде, мы уже рассматривали ее раньше. Кислород оттягивает на себя два электрона, по одному от каждого водорода. Итак, минус два. И на каждом углероде степень окисления плюс один. Если вы хотите записать полуреакцию для клеточного дыхания, используя химическое определение, учитывая электроны, вы сразу же можете сказать: «Я начну с 12 атомов водорода с этой стороны». Сейчас я это напишу. Итак, 12 с этой стороны. Каждый из них имеет степень окисления плюс один. Затем происходит клеточное дыхание. Теперь образовалось 12 атомов водорода. Могу написать 12 немного по-другому. Но у них по-прежнему степень окисления плюс один. У каждого степень окисления плюс один. Таким образом, с точки зрения окисления/восстановления, с водородом ничего не произошло. Теперь рассмотрим углерод. В левой части уравнения содержится 6 атомов углерода. У них нулевая степень окисления. Но что изменилось в правой части уравнения? Шесть атомов углерода. Записаны немного по-другому. Но все равно шесть углеродов. У всех степень окисления, равная плюс четырем. Это означает, что они потеряли по четыре электрона. Или их формальный заряд, при потере четырех электронов стал равен четырем. Так как они потеряли отрицательно заряженные электроны. 6 атомов углерода, в процессе клеточного дыхания окислились и их степень окисления стала равна плюс четырем. Плюс, так как каждый из них потерял четыре электрона. Всего атомов шесть. 4 на 6 равно 24 электрона. Такое количество электронов потерял углерод. Итак, мы видим, что в процессе клеточного дыхания углерод окисляется. Углерод окисляется. Окисление – это потеря электронов. Мы видим, что в процессе клеточного дыхания, - мы написали полуреакцию – углерод теряет… Шесть атомов углерода теряют в сумме 24 электрона. А теперь я наконец-то посчитаю кислород в этой части. Я потерял свое уравнение. Здесь два атома кислорода. Нарисую их по отдельности. Итак, здесь шесть кислородов, у которых степень окисления минус два. В левой части уравнения. Поэтому я изображу их вот так. Их степень окисления равна минус двум. А здесь 12 атомов кислорода с нулевой степенью окисления. 12 атомов кислорода с нулевой степенью окисления. Поэтому я даже не буду писать никакой степени окисления, никакой цифры. Что получилось в результате клеточного дыхания? Теперь в диоксиде углерода содержится 12 атомов углерода, которые имеют степень окисления минус два. Итак, шесть O2. Напишу здесь кислороды из диоксида углерода. Итак, шесть O2, у которых степень окисления минус два. И есть еще шесть кислородов со степенью окисления минус два. Итак, прибавляем шесть кислородов со степенью окисления минус два. И если вы следите, я подсчитал степени окисления всех кислородов. У этих была нулевая степень. 6 на минус 2 равно минус 12. Можно рассматривать это как общий заряд всех шести атомов. 6 на минус 2 равно минус 12.. У меня 6 на 2 кислородов в молекуле. Получается 12 на минус 2. Равно минус 24. До суммарного формального заряда минус 36 мне не хватает 24 электрона. И эти 24 электрона, которых мне не хватает, получил кислород. Это те же 24 электрона, которые потерял углерод. С химической точки зрения, все совершенно понятно. Углерод окислился. Кислород принял электроны. Восстановление – это приобретение. Итак, кислород принял электроны. Восстановление - это приобретение. Кислород восстановился, мы повторяем пройденное.. Полезно делать это в контексте клеточного дыхания. Теперь мы получили ответ на вопрос, откуда берется энергия. В каждой химической реакции, когда вы видите, что выделяется энергия, это происходит из-за того, что электроны переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий. Если электрон отсюда с высокого энергетического уровня может перейти на более комфортный уровень, на низшую орбиталь, или на орбиталь ниже по энергии. Ниже по энергии, или более стабильную. В результате перехода выделится энергия в виде тепла или энергия произведет какую-либо работу, израсходуется на образование молекул АТФ. Итак, когда вы видите полуреакцию, вы видите, углерод потерял 24 электрона, углерод окислился. Они переходят к кислороду. Переходят поэтапно. Не все вместе. Переход происходит в результате отдельных стадий.. По мере перехода, электроны перемещаются на все более низкие энергетические уровни. И по мере того как электроны перемещаются на низшие энергетические уровни, главным образом переходя от углерода к кислороду, высвобождается энергия. Вот откуда берется энергия для образования 38 атомов АТФ. Итак, пока мы поговорили немного о том, как понимает окисление химик. В начале ролика я упомянул, как рассматривает окисление биолог. Затем мы увидели, что клеточное дыхание с точки зрения химика, совершенно ясно демонстрирует, что углерод окисляется. Он отдает электроны. Кислород в свою очередь восстанавливается. Он принимает электроны. Он восстанавливается. Эти электроны переходят от этого углерода главным образом к этому кислороду. Как же с этим согласуется биологическое определение? Оно согласуется очень хорошо. Вы можете видеть, что все водороды в уравнении относятся к глюкозе. Они связаны, если вы посмотрите на формулу глюкозы. Водороды связаны либо с углеродами, либо с кислородами. Таким образом, они связаны с углеродами или кислородами. Когда вы переходите в правую часть уравнения, все водороды связаны только с кислородом. Таким образом, понятно, что углерод потерял водороды. А водороды и кислород приобрели водороды. Сейчас я это запишу. Видно, что в процессе дыхания углерод потерял атомы водорода. Углерод потерял атомы водорода. Кислород приобрел атомы водорода. И все в порядке. Противоречий в данном случае нет. Потому что видно, что при потере водорода, происходит окисление с биологической точки зрения. Приобретая атомы водорода, кислород восстанавливается. Для того чтобы вы могли понять смысл того, что видите… Я нарисую механизм и постараюсь, чтобы он получился не слишком запутанным. Переносу этих водородов содействуют такие молекулы, как НАД и ФАД. Сейчас мы увидим. Мы просто хотим привести в соответствие два определения… Водороды переходят от одного электрооотрицательного атома к другому электроотрицательному атому, в действительности переносится способность оттягивания электронов. Если у углерода есть водород, он может оттягивать от него электроны. Но если этот водород переходит от углерода – причем весь атом, а не только ядро, весь атом переходит ккислороду, тогда кислород получает электрон, который он может оттягивать на себя. И углерод теряет электрон. Таким образом, углерод окислился, а кислород восстановился. Я говорил об этом в прошлых роликах. Чаще всего сбивает с толку в окислении, что всегда вам хочется сказать: «Ну ладно, это, должно быть, что-то, связанное с кислородом». Так и есть. Термин действительно происходит от «кислорода». Но а что делает кислород? Когда он связан с другими атомами, он теряет, отдает свои электроны. Или, в реакции, он часто забирает атомы водорода. Он отобрал водороды у углерода в нашем случае. Вот откуда произошел термин окисление. Но не обязательно иметь кислород в реакции для того чтобы произошло окисление или восстановление. Надеюсь, для вас это объяснение было достаточно полезно. Этот момент особенно тяжело давался мне, когда я учился, все встало на свои места с помощью химического определения окисления и восстановления. Но, хотя в учебниках по биологии все немного иначе. Все вполне можно понять.
Biology is brought to you with support from the Amgen Foundation