της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού Δευτερ/θμιας Εκπ/σης
Ο κύκλος των ηλεκτρονίων των ατόμων αφορά το άβιο και το έμβιο περιβάλλον
Όπως αναφέρθηκε η κίνηση των ηλεκτρονίων και οι κύκλοι τους συμπεριλαμβάνουν κάθε χημική μεταβολή στο άβιο και έμβιο περιβάλλον. Εφόσον:
-Οι φυσικοί και χημικοί νόμοι που διέπουν τα έμβια συστήματα είναι ίδιοι που διέπουν τα άβια
-H χημική σύσταση και οι μεταβολικές διαδικασίες όλων των ζωντανών οργανισμών είναι σε μεγάλο βαθμό όμοιες , παρά τις μεγάλες αποκλίσεις που παρατηρούνται
Η ισχύς ενός συστήματος να δωρίσουν ή να δεχθούν ηλεκτρόνια δεν είναι πάντα ίδια.
Το μέτρο αυτής της ισχύος εκφράζεται σε κάθε περίπτωση από το Δυναμικό οξειδοαναγωγής ενός συστήματος :
Ένα σύστημα που παρέχει αυθόρμητα ηλεκτρόνια σε κάποιο άλλο λειτουργεί σαν αναγωγικό και έχει ένα πιο αρνητικό δυναμικό οξειδοαναγωγής από το δεύτερο που τα δέχεται Το σύστημα αποδοχής των ηλεκτρονίων είναι αυτό με το πιο θετικό οξειδοαναγωγικό δυναμικό
--------------------------------------------------------------------------------------------------
που παίρνει διάφορες τιμές ανάλογα με τις αντιδράσεις
Mn(OH)2 + OH ⎯ = Mn(OH)3 + e ―0,40
Fe(OH)2 + OH ⎯ = Fe(OH)3 + e ―0,56
---------------------------------------------------------------------------------------------------
To οξειδοαναγωγικό δυναμικό επηρεάζεται από μεταβολές στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων υλικών
Επίσης διαφορετικές τιμές pΗ προκαλούν μεγάλες μεταβολές στα οξειδοαναγωγικά δυναμικά παρουσία υδρογόνου ή ιόντων υδροξυλίου.
Το pΗ λοιπόν όπως επίσης και το οξειδοαναγωγικό δυναμικό είναι οι βασικοί παράγοντες ου καθορίζουν τη φύση πολλών ιζηματογενών διεργασιών.
Μετατοπίσεις ηλεκτρονίων μέσα στα μόρια ,ιδιαίτερα τα οργανικά, δημιουργούν πολλά φυσικοχημικά φαινόμενα που επηρεάζουν τις χημικές αντιδράσεις.
-
Επαγωγικό φαινόμενο που οφείλεται σε μετατόπιση σ ηλεκτρονίων σε ένα μόριο με συνέπεια την πόλωση του μορίου. Οφείλεται στην ύπαρξη ομάδας που έλκει ή απωθεί ηλεκτρόνια (-Ι φαινόμενο ή +Ι φαινόμενο). Το επαγωγικό φαινόμενο προκαλεί στο μόριο πόλωση και διπολική ροπή. Έτσι επηρεάζει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες της ένωσης, την ταχύτητα των αντιδράσεων καθώς και την χημική ισορροπία
-
Συντονισμός και συζυγιακό φαινόμενο
Σε ορισμένες ενώσεις η σύνδεση των ατόμων του μορίου με δεσμούς σ και π (για διπλό δεσμό) γίνεται με έναν ιδιότυπο τρόπο . Ηλεκτρόνια δεσμών π αλλά και αδεσμικά ηλεκτρόνια, μετακινούνται μεταξύ των ατόμων του μορίου ώστε τα ηλεκτρονιακά ζευγάρια των δεσμών ή και αδεσμικά, δεν εντοπίζονται αλλά ανήκουν σε μια ευρύτερη περιοχή του μορίου
Το φαινόμενο μετακίνησης π ηλεκτρονίων σε ακόρεστες ενώσεις λέγεται συντονισμός ή μεσομέρια
Σε συστήματα με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς αυτό καλείται συζυγιακό φαινόμενο. Επεκτείνεται και σε μόρια με τριπλό δεσμό εάν συνδέονται με άτομο με αδεσμικό ηλεκτρόνιο.
Τα δύο φαινόμενα επαγωγικό και συντονισμός δρουν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και μπορούν να προκαλέσουν αντίθετα φαινόμενα στο ίδιο μόριο
Ο κύκλος των ηλεκτρονίων των ατόμων της ύλης είναι κύκλος ενέργειας
Τα ηλεκτρόνια από την φύση τους περιέχουν ενέργεια, ή κατά άλλους αποτελούν ενέργεια.
Η ενέργεια αυτή των ηλεκτρονίων κυκλοφορεί μέσα στην ύλη μεταφερόμενη από ένα υλικό σώμα σε άλλο. Κυρίως ενδιαφέρει εδώ η μεταφορά της με την μορφή της χημικής ενέργειας μέσω χημικών και βιοχημικών αντιδράσεων
Πως πραγματοποιείται η μεταφορά ενέργειας μεταξύ μορίων μέσω των ηλεκτρονίων;
-
Με την μεταφορά ομάδων: Σχηματίζοντας με σειρά χημικών αντιδράσεων ενώσεις υψηλής ενέργειας (macroergic). Αυτό το συναντάμε συχνά στις βιοχημικές αντιδράσεις με την μεταφορά ομάδων όπως η φωσφορική ή η ακυλομάδα. Τέτοιες ενώσεις συζεύγνυνται με ενδόεργες αντιδράσεις και τις οδηγούν σε προϊόντα. ΑΤΡ + Η2Ο <==> ADP + P i.
-
Με την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των ιόντων. Αυτό οδηγεί σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις στις οποίες ηλεκτρόνια μετακινούνται ανάλογα και με την διαφορά μεταξύ των δυναμικών οξειδοαναγωγής των ουσιών πριν και μετά την αντίδραση
-
Με την αποθήκευση αναγωγικής ισχύος. Αυτό στα βιολογικά συστήματα συμβαίνει με την ενσωμάτωση του αναγωγικού υδρογόνου σε κάποιες ουσίες όπως συνένζυμα (NADPH)
Ενέργεια που χάνεται στον δρόμο
Κατά την διάρκεια μιας τέτοιας μεταφοράς, τα χημικά συστήματα χάνουν ένα μέρος της ενέργειάς τους.
Μεταβολή στην ενέργεια ( ΔG Ελεύθερη ενέργεια Gibbs) που αποσπάται ή μεταφέρεται στο περιβάλλον της αντίδρασης έχουμε σε αντιδράσεις που
-
Υπάρχει ηλεκτροχημική βαθμίδωση των ιόντων (οξειδοαναγωγικές) αλλά και
-
σε άλλου τύπου όπως μεταθετικές ή διπλής αντικατάστασης
Αυτή η ενέργεια ελευθερώνεται στο περιβάλλον τους και . είναι γνωστή σαν Ελεύθερη Ενέργεια Gibbs .
Εδώ φυσιολογικά ισχύουν οι παγκόσμιοι νόμοι της Θερμοδυναμικής στις Χημικές αντιδράσεις
συγκεκριμένα έχουμε απώλεια χημικής ενέργειας στο σύστημα σε μορφή θερμότητας (εξεργονικές ή εξώεργες ) που μπορούν να συμβούν σε κλειστά συστήματα εφόσον μεταφέρεται χημική ενέργεια από ουσία υψηλής ενέργειας σε άλλη χαμηλότερης.
Ακόμα για αντίστοιχο λόγο στην περίπτωση που συμβαίνει μεταφορά ενέργειας από ουσίες χαμηλότερης χημικής ενέργειας σε άλλες υψηλότερης αυτό συνοδεύεται με προσφορά ενέργειας .(Ενδεργονικές αντιδράσεις)
Είναι ανάλογη με τα moles που μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια n και με την διαφορά μεταξύ των δυναμικών οξειδοαναγωγής των ουσιών πριν και μετά την αντίδραση ΔG και με το F (σταθερά Faraday). Εξαρτάται από το ΡΗ
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ο κύκλος των ηλεκτρονίων στη γη λειτουργεί εξ αιτίας της φωτοσύνθεσης
Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι ένα σημείο καθοριστικο για τον κύκλο των ηλεκτρονίων στη φύση, γιατί εκεί παρέχεται η ενέργεια από τον ήλιο για να αρχίσουν να κινούνται τα ηλεκτρόνια στους κύκλους αυτούς .
Η ενέργεια αυτή παρέχεται στους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς με την μορφή ενός φωτονίου το οποίο απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο μιας χρωστικής (όπως η χλωροφύλλη, βακτηριοχλωροφύλλες,βακτηριοφυτίνες, καροτενοειδή)
Το ηλεκτρόνο αυτό με την επιπλέον ενέργεια που απορρόφησε, μεταφέρεται σε άλλη ηλεκτρονιακή στοιβάδα μεγαλύτερης ενέργειας (διεγερμένη κατάσταση)
(Ουσίες που ευνοούν τέτοια διέγερση ηλεκτρονίων των μορίων τους είναι ενώσεις που διαθέτουν εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς και π ηλεκτρόνια τα οποία απαιτούν σχετικά μικρότερη φωτεινή ενέργεια για να διεγερθούν).
Η ενέργεια που προσροφήθηκε, μεταφέρεται σε γειτονικά μόρια χρωστικών,
και χρησιμοποιείται για την φωτόλυση του νερού με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ηλεκτρονίων και πρωτονίων και έκλυση οξυγόνου.
Η κίνηση των ηλεκτρονίων στην συνέχεια γίνεται με ουσίες – ηλεκτρομεταφορείς
Έως το κέντρο της αντίδρασης από το οποίο ξεκινά κυκλική ροή των ηλεκτρονίων . Συγχρόνως μεταφέρονται πρωτόνια που πολώνουν μεμβράνες με τελικό αποτέλεσμα την δημιουργία του ΑΤΡ και NADPH
Στην δεύτερη φάση της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνονται οι σκοτεινές αντιδράσεις (Κύκλος Καλβιν) που έχουν αποτέλεσμα την δημιουργία σακχάρων ( αρχικά με την φωσφογλυκερραλδεϋδης )
πηγες
Μηχανισμός της φωτοσυνθετικής διαδικασίας 2η ενότητα Κοτζαμπάσης Κυριάκος Καθηγητής Πανεπιστήμιο Κρήτης
Μικροβιακός μεταβολισμός Τμήμα Χημείας Αλέξιος Βλαμής Επίκουρος καθηγητής Βιοχημείας Ενότητα γ ΄
GBookbioenergetics-achileas
Αντιδράσεις σε βιολογικά συστήματα και βιοενεργητική
https://www.slideserve.com/gudrun/4931632
https://slideplayer.gr/slide/11999861/