Kan hydrogen bære energi? Faggruppe for kjemiundervisning, Bodø 2015

Hvorfor biokjemi i kjemifaget? Øke forståelsen av de biologiske prosessene Stoppe en del utbredte misforståelser Biokjemi kan være eksempler der elevene får repetert f.eks. redokskjemi Økt forståelse av redokskjemien

Om hydrogen som energibærer:

Lærebokfigur I: (Celleånding)

Lærebokfigur II: (Fotosyntese)

1: Hvordan kan hydrogen «bære energi»?

Noen sentrale stoffer: CO2 Glukose O2

Vi starter med: Og ender opp med (Og så tilbake igjen) CO2 og Glukose

Vi starter med: Og ender opp med Hvor er energien? CO2 og Glukose og

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O O = O C C

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,16 Å 0,96 Å 1,42 Å

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,16 Å 0,96 Å 1,42 Å Bindings- energi: 414 800 464 358 (kJ/mol)

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å Bindings- energi: 498 347 (kJ/mol)

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å Oksygen er stabil, men reaktiv Bindings- energi: 498 347 (kJ/mol)

Bindinger i sukker Bindinger i vann og CO2 C H C O O H C = O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,42 Å 0,96 Å 1,16 Å Bindings- energi: 414 358 464 800 (kJ/mol)

= = = = Energi inn = = = = = = = =

= = = = = Energi ut =

= = = = = = = = = = = =

Hva er summen av bindingsenergiene? (Energien som trengs for å bryte en binding)

Bindingsenergi: C-C: 5 x 347 kJ/mol O=O: 6 x 498 kJ/mol C-H: 7 x 414 kJ/mol O-H: 17 x 464 kJ/mol C-O: 7 x 358 kJ/mol Sum: 18015 kJ/mol = = = = = =

= = Bindingsenergi: C=O: 12 x 800 kJ/mol O-H: 24 x 464 kJ/mol Sum: 20736 kJ/mol = = = = = = = = = =

= ca energigevinsten når sukker forbrennes Differanse: 2721 kJ per mol glukose = ca energigevinsten når sukker forbrennes

Hvor mye energi blir dannet per mol om vi lager molekylene ut fra grunnstoffene? (Dannelsesentalpi)

Dannelsesentalpi: Vann: 6 x -286 kJ/mol Oksygen: 6 x 0 kJ/mol Glukose: -1270 kJ/mol Sum: -2986kJ/mol = = = = = =

= = Dannelsesentalpi: CO2: 6 x -393 kJ/mol Vann: 12 x -286 kJ/mol Sum: -5790kJ = = = = = = = = = =

= ca energigevinsten når sukker forbrennes Differanse: 2804 kJ per mol glukose = ca energigevinsten når sukker forbrennes

Når hydrogenet bindes til oksygen igjen, blir energien frigitt. I fotosyntesen flyttes hydrogen fra vann til andre forbindelser med større bindingslengde/mindre bindingsenergi. Når hydrogenet bindes til oksygen igjen, blir energien frigitt.

Skyldes Forskjellig bindingsenerg i Forskjell i entropi (orden) Forskjellige bindingslengd er

Noen biokjemiske nøkkelreaksjoner: I fotosyntesen: H2O 2H+ + 2e- + 1/2O2 I elektrontransportkjeden i celleåndingen: NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ FAD + 2H+ + 2e- FADH2 Til slutt i celleåndingen: 2H+ + 2e- + 1/2O2 H2O

Noen biokjemiske nøkkelreaksjoner: I fotosyntesen: H2O 2H+ + 2e- + 1/2O2 I elektrontransportkjeden i celleåndingen: NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ FAD + 2H+ + 2e- FADH2 Til slutt i celleåndingen: 1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo’=-0,32V Eo’=-0,22V Eo’=+0,82V

Hva elevene vet om redoksreaksjoner: Overføring av elektroner Overføring av 2H Overføring av O

Hvilken rolle spiller NADH? Dette er knyttet til bindingsenergi Det krever lite energi å friggjøre elektronene som er knyttet til hydrogen og overføre dem til elektrontransportkjeden

Hvilken rolle spiller NADH? Sagt på en annen måte: NADH har lavt reduksjonspotensial

Hva skjer med NADPH i fotosyntesen? Totalreaksjon: 2NADP+ + 2H2O 2NADPH + 2 H+ + O2 Halvreaksjoner: 2H2O O2 + 4e- + 4H+ (Eo’ = +0,816 V) NADP+ + H+ + 2 e- NADPH (Eo’ = -0,32 V)

Om reduksjonspotensialer Lavt reduksjonspotensial betyr at et stoff har liten evne til å tiltrekke seg elektroner og det er lett å ta et elektron fra den reduserte formen - den er et sterkt reduksjonsmiddel «elektronene er svakt bundet»

Denne figuren er kjent fra før for elevene Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71

Denne burde være gjenkjennbar Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,08 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar pH7! Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,08 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,08 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q (oks) + 2H+ + 2e- QH2(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Kompleks 1 (med jern-svovel -proteiner) Protonpumpe

Kompleks II (Kan oksidere FADH2) Ikke protonpumpe

Kompleks III (Cytokrom b og c) Protonpumpe

Kompleks IV (Også med cytokrom C) Protonpumpe

O2 - den siste elektronmottakeren 1/2 O2 + 2H+ +2e- H2O

ATP syntetase som drives av H+-gradienten

Tilsvarer en energi på 339 kJ/mol Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 3,51V Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Tilsvarer en energi på 339 kJ/mol Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71 ∆G = -nFEo

ADP + Pi ATP + H2O krever 30,5 kJ/mol Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 1,14V 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) 110 kJ/mol e- (220 kJ/mol for 2e-) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42 ADP + Pi ATP + H2O krever 30,5 kJ/mol

2Ag+ 2e- Cu Fe Zn Mg Na

2Ag+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Fe2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Fe2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Fe2+ Zn2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Zn2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Zn2+ Mg2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Mg2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Mg2+ 2Na+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag 2Na+ Cu Fe Zn Mg Na

1/2 O2 +2H+ 2e- Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

1/2 O2 +2H+ Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+ NAD+

NADH «bærer» altså løst bundne elektroner til elektrontransportkjeden. Har lavt reduksjonspotensial

NADH avgir H- (hydrid), dvs to svært løst bundne elektroner

FAD can be reduced to FADH2, whereby it accepts two hydrogen atoms (a net gain of two electrons) (Wikipedia)

FADH2

FADH2 Å transportere H+ gjennom membranen krever ca 20 kJ/mol

Her er det energi som kan utnyttes! Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 3,51V Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71 Her er det energi som kan utnyttes!

Transport av H+ gjennom membranen krever ca 20 kJ/mol Eo’(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 1,14V 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) 110 kJ/mol e- (220 kJ/mol for 2e-) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42 Transport av H+ gjennom membranen krever ca 20 kJ/mol

Flytt vann og NADH m.m. på riktig side av membranen på bildene under og marker hva som er innside og hva som er utside.

1/2 O2 +2H+ 2e- Kompleks 4 H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+ NADH + H+

1/2 O2 +2H+ Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+ NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O H+ H+ H+ Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 H+ H+ H+ H+ Kompleks 2 H+ FADH2 Kompleks 1 H+ H+ H+ NADH + H+ H+ H+

Protongradienten driver ATP-syntesen. Gradienten er tosidig: konsentrasjon og elektrisk ladning.

Unødvendig komplisert? Det finnes mange enklere kjemiske reaksjoner som avgir energi Hvorfor ikke velge en av dem?

Hvorfor sukker og fett? Stabile stoffer Kan lagres lenge Høy konsentrasjon av energi (lav vekt og volum) Ikke giftig Kan bygges av de vanligste grunnstoffene

Hvorfor så mange reaksjonstrinn? Gir muligheter til å lage mange nyttige mellomprodukter Energien kan hentes ut med minimale tap Varmeproduksjonen blir håndterbar

Ikke glem totalreaksjonen: I fotosyntesen dannes glukose av vann og CO2 I celleåndingen hentes energien ut igjen

Bluebottle En kort elektrontransportkjede

(Fra Journal of Chemical Education, 2012, 89, s 1426) Komplisert kjemi: (Fra Journal of Chemical Education, 2012, 89, s 1426)

O2 Metylenhvitt Glukose

O2 2e- Metylenhvitt Glukose

O2 Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Metylenblått Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukose

O2 2e- Metylenhvitt Glukose

O2 Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Metylenblått Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukonat