전자의 공유에 의한 공유 결합 형태

세포의 모든 특성은 그것이 포함하는 분자에 달려있다. 분자는 공유 결합에 의해 함께 결합 된 원자들의 집단으로 정의된다; 여기서 전자는 외부 껍질을 완성하기 위해 원자들 사이에 어느 한쪽으로 전달되는 것이 아니라 원자들 사이에서 공유된다.  가장 간단한 분자 - 수소 (H2) - 두 개의 H 원자 (각각 하나의 전자를 가진)는 첫 번째 껍질을 채우기 위해 필요한 수인 두 개의 전자를 공유합니다. 이 공유 된 전자는 두 개의 양으로 충전 된 핵 사이에서 밀도가 높은 음전하의 구름을 형성하고 있으며 이 결합은 같은 전하를 가진 두 핵의 반발에 대항하여 그들을 묶는 것을 돕는다. 인력과 반발력은 균형을 이루어 핵과 핵사이의 거리인 결합의 길이만큼 거리를 유지합니다.

어떤 결합 - 공유 결합 또는 비공유 결합의 또 다른 성질은 그 결합 강도는, 결합을 끊기 위해 공급되어야하는 에너지의 양에 의해 측정된다. 이것은 종종 몰당 킬로 칼로리 (kcal / mole)의 단위로 표현되며, 여기서 킬로 칼로리는 1 리터의 온도를 1도올리는 데 필요한 에너지의 양입니다. 따라서 특정한 결합 6 x 1023 결합 (즉, 이들 결합의 1 mole)을 깨기 위해 1 킬로 칼로리가 공급되어야한다면, 그 결합의 강도는 1 kcal / mole이다. 널리 사용되는 에너지 측정치 단위인로 1 킬로 줄 (kilojoule)는 0.239 kcal  에 해당합니다.

공유 결합은 각 참여 원자가 기증 한 두 개의 전자를 공유한다. 이들은 단일 결합이라고합니다. 그러나 일부 공유 결합은 한 쌍 이상의 전자를 공유한다. 4 개의 전자가 공유 될 수 있는데, 예를 들어, 각각의 참여 원자로부터 오는 2 개의 전자; 그러한 결합를 이중 결합이라고합니다. 이중 결합은 단일 결합보다 짧고 강하며 분자를 포함하는 분자의 입체적 기하학적 특성에 특별한 영향을 미친다. 두 원자 사이의 단일 공유 결합은 일반적으로 결합 축 주위에서 상대방에 대해 분자의 한 부분의 회전을 허용합니다. 이중 결합은 이러한 회전을 방지하여보다 단단하고 덜 유연한 원자 배열을 생성합니다 (그림 2-9 및 패널 2-1, 106-107 페이지).

단일 공유 결합에 의해 결합 된 원자가 다른 원소에 속하면, 두 원자는 보통 공유 전자를 다른 정도로 끌어 당긴다. 예를 들어, O 원자와 N 원자는 전자를 비교적 강하게 끌어 당기는 반면, H 원자는 전자를 더 약하게 끌어 당긴다. 정의에 따르면 극성 구조 (전기적인 의미에서)는 한쪽 끝 (양극)에 집중된 양전하와 다른 쪽 (음극)쪽으로 집중된 음전하가있는 구조입니다. 이러한 방법으로 전자를 똑같이 공유하지 못하는 공유결합은 극성공유결합으로 알려져있다 (그림 2-10). 예를 들어, 산소와 수소, -O-H 또는 질소와 수소 사이의 공유 결합 -N-H는 극성이며, 탄소와 수소의 결합 인 –C-H는 전자를 같은 정도롤 공유하므로 비교적 비극성이다.

알코올과 같은 극성 결합을 함유하고 물과 수소 결합을 형성 할 수있는 분자는 물에 쉽게 용해됩니다. 플러스 또는 마이너스 전하 (이온)를 운반하는 분자는 마찬가지로 물과 호의적으로 상호 작용한다. 이러한 분자는 친수성이라고 불리우며 물을 좋아합니다. 세포와 같이 물이 많은 환경에서는 당류, DNA, RNA 및 대부분의 단백질을 포함하여 많은 분자들이 이 범주에 속할 수 밖에 없다. 이와 대조적으로, 소수성 (물을 싫어하는) 분자는 전하가 없으며 수소 결합을 거의 형성하지 않으므로 물에 용해되지 않습니다. 탄화수소는 그 중요한 예입니다 (패널 2-I, 106-107 페이지 참조). 이 분자에서 H 원자는 주로 비극성 결합에 의해 C 원자에 공유 결합되어있다. H 원자는 거의 양의 전하를 갖지 않으므로 다른 분자에 효과적인 수소 결합을 형성 할 수 없습니다. 이것은 탄화수소를 전체적으로 소수성으로 만들며 세포에서 이러한 성질이 이용되는데 세포막이 탄화수소 꼬리가 긴 분자로 구성된다. 이는 챕터 I0에서 볼 수있다.

일부 극성 분자는 산과 염기입니다.

가장 단순한 종류의 화학 반응 중 하나이며 세포에서 중요한 의미를 갖는 반응은 수소와 두 번째 원자 사이에 매우 극성이 강한 분자의 공유결합이 있는 분자가 물에 녹을 때 발생합니다. 그러한 분자 내의 수소 원자는 대체로 그 전자를 동반자 원자에게 주어버리고, 거의 완전히 양전하를 띤 수소 핵과 같이되며 이를 다른말로 양성자 (H +)라고 한다다. 물 분자가 극성 분자를 둘러쌀때, 양성자는 인접한 물 분자의 O 원자의 부분적인 음전하를 끌려가고 원래의 상대자로부터 해리하여 물 분자의 산소 원자와 결합하여 하이드로 늄 이온 (H3O +)을 만든다 (그림 2-f3A). 또한 이 반응의 역반응은 매우 쉽게 일어나기 때문에, 수십억 개의 양성자가 용액 내의 한 분자에서 다른 분자로 끊임없이 나오거나 들어가는 평형 상태를 상상해야합니다.

똑같은 반응은 순수한 물 그 자체의 용액에서 일어난다. 그림 2-13B에서 볼 수 있듯이 물 분자는 끊임없이 양성자를 서로 교환합니다. 결과적으로, 순수한 물은 동등하고 매우 낮은 농도의 H3O + 및 OH- 이온을 포함하며, 둘 다 10-7M에 존재한다 (순수한 물에서의 H2O의 농도는 55.5M 임)

물에 용해 될 때 양성자를 방출하여 H3O +를 형성하는 물질을 산이라고합니다. H3O +의 농도가 높을수록 더 산성 인 용액이됩니다. H3O +가 올라감에 따라 OH-의 농도는 물에 대한 평형 방정식 [H3O +] [OH-] = 1.0 x 10-14에 따라 떨어진다. 여기서 대괄호는 몰 농도를 나타내며 곱하기를 나타낸다. 전통적으로, H3O + 농도는 일반적으로 수용액에서 모두가 아니라 거의 모든 H +가 H3O +로 존재하지만 H3O + 농도를 H + 농도라고합니다. 다루기 어려운 숫자의 사용을 피하기 위해 H +의 농도는 패널 2-2 (pp.108-109)에서 설명한 것처럼 pH 스케일이라고하는 로그 스케일을 사용하여 표현됩니다. 순수한 물의 pH는 7.0이며 중성입니다. 즉 산성 (pH <7.0) 도 이니고는 염기성 (pH> 7.0)도 아니다.

산의 반대는 염기입니다. 산의 특성이 H3O + 이온의 농도를 높이기 위해 물 분자에 양성자를 제공한다는 것과 마찬가지로 염기를 정의하는 특성은 H3O + 이온의 농도를 낮추기 위해 양성자를 받아들여 히드 록실 이온 (OH-)의 농도를 높입니다. 염기는 양성자와 직접 결합하거나 양성자와 즉시 결합하여 H2O를 생성하는 수산기 이온(OH-)을 형성 할 수 있습니다. 따라서 수산화 나트륨 (NaOH)은 수용액에서 해리되어 Na + 이온과 OH- 이온을 형성하기 때문에 염기성 (또는 알칼리성)입니다. 살아있는 세포에서 특히 중요한 다른 염기에는 -NH2 그룹이 들어있다. 이 그룹들은 물에서 양성자를 직접 흡수합니다 : -NH2 + H2O - + -NH3+ + OH-.

정전기 인력.

이것은 반대로 대전된 원자들 사이의 인력에 기인한다. 정전기는 물이 없을 때에 상당히 강합니다. 그들은 영구 쌍극자 사이에 쉽게 형성되지만 관련된 두 원자가 완전히 하전 될 때 (이온 결합) 가장 큽니다. 그러나, 극성 물 분자는 완전히 충전 된 이온과 영구 쌍극자를 포함하는 극성 분자 둘 다의 주위에 집합한다 (그림 2-14). 이것은 대부분의 생물학적 환경에서 서로 대전된 분자들 사이의 인력을 크게 감소시킵니다.

수소 결합.

일반적인 수소 결합의 구조는 그림 2-15에 나와 있습니다. 이 결합은 전기적 양성인 수소 원자가 두 개의 전기적 음전위 원자에 의해 부분적으로 공유되는 특별한 형태의 극성 상호 작용을 나타낸다. 그것의 수소는 공여체 원자로부터 부분적으로 분리 된 양성자로 볼 수 있으며 두 번째 수용 원자에 의해 공유 될 수 있습니다. 전형적인 정전기 상호 작용과는 달리,이 결합은 관련된 모든 세 원자 사이에서 직선이 그려 질 수있을 때 가장 강하므로 매우 방향성이 강하다고 말할 수 있다. 이미 논의한 바와 같이, 물은 관련 분자들과 경쟁하는 수소 결합의 상호 작용을 형성함으로써 이들 결합을 약화시킨다.

반 데르 Waals 인력.

임의의 비극성 원자 주변의 전자 구름은 변동성이 강하여 순간적인 쌍극자를 생성합니다. 이러한 쌍극자는 일시적으로 인접한 원자에서 반대로 분극화된 순간적인 쌍극자를 유도합니다. 이 상호 작용은 원자 사이에 매우 약한 인력을 생성합니다. 그러나 두 개의 표면이 밀접하게 결합 될 때 많은 원자가 동시에 접촉 할 수 있으므로 그 최종 결과는 종종 상당한 인력을 만듭니다. 물은 이 반 데르 발스의 인력을 약화시키지 않습니다.

물속에 분자를 함께 결합시키는 네 번째 효과는 엄밀히 말해서 결합은 아닙니다. 그러나 매우 중요한 소수성 힘이 수소결합을 이루고 있는 물 분자들이 비극성 표면을 밀어내어 발생하는데, 만약 그렇지 않으면 그 비극성 표면이 물 분자들 사이의 우호적인 상호작용을 방해하게 됩니다.. 두 개의 비극성 표면을 같이 모으면 물과의 접촉이 줄어 드는데, 이 의미에서 그 힘은 비특이적이다. 그럼에도 불구하고 우리는 제 3 장에서 소수성 인력이 단백질 분자의 적절한 접힘의 핵심이라는 것을 보게 된다.

당류는 세포를위한 에너지 원을 제공하고 다당류의 소단위입니다. 가장 간단한 당류 인 단당류는 일반 화학식 (CH2O)n를 갖는 화합물로 n은 보통 3, 4, 5, 6,7 또는 8입니다. 당류, 그리고 그들로부터 만들어진 분자들은이 간단한 공식 때문에 탄수화물이라고도 불립니다. 예를 들어, 포도당은 화학식 C6H1206 화학식 (그림 2-18)을 갖는다. 그러나 이 공식은 분자를 어떤 모양인지 확실히 보여주지 않습니다 : 똑 같은 탄소, 수소 및 산소를 이용하여 다양한 형태의 공유 결합에 의해 서로 연결되어 서로 다른 모양을 가진 구조를 만들 수 있습니다. 예를 들어, Panel 2-4 (pp.122-113)에서 볼 수 있듯이 포도당은 특정 OH 기의 방향을  분자의 다른부분과 비교하여 바꾸면 다른 당 - 만노오스 또는 갈락토스와 같은 다른 당류로 전환 될 수 있습니다. 또한 이들 각각의 당류는 서로의 거울상 인 D 형과 L 형으로 불리는 두 가지 형태로 존재할 수 있습니다. 같은 화학식를 가지지 만 구조가 다른 분자들의 집합을 이성질체라고하며, 거울상 쌍인 그러한 분자의 종류를  광학 이성질체라고합니다. 이성질체는 일반적으로 유기 분자 사이에 널리 퍼져 있으며, 엄청나게 다양한 당을 생성하는 데 중요한 역할을합니다

패널 2-4는 당 구조와 화학의 개요를 보여준다. 설탕은 고리 모양이나 열린 사슬 형태로 존재할 수 있습니다. 그들의 열린 사슬 형태에서, 당은 많은 수산기와 하나의 알데히드 (H> C =O) 또는 하나의 케톤 (> C =O) 그룹을 포함합니다. 알데히드 또는 케톤 그룹은 특별한 역할을합니다. 첫째, 동일한 분자 내의 수산기와 반응하여 분자를 고리로 전환시킬 수 있습니다. 고리 형태에서, 원래 알데히드 또는 케톤 기의 탄소는 두 개의 산소에 결합 된 유일한 단소인 것을 알 수 있다.. 둘째, 일단 고리가 형성되면,이 바로 그 탄소는 산소를 통해 다른 당 분자상의 수산기를 갖는 탄소 중 하나에 더 연결될 수 있습니다. 이것은 포도당과 과당 단위로 구성된 자당과 같은 이당류를 만듭니다. 큰 당 폴리머는 올리고당 류 (삼당 류, 사당 류 등)에서부터 거대한 다당류까지 다양하며, 수천 개의 단당류 단위를 포함 할 수 있습니다

당 (sugar)이 함께 연결되어 폴리머를 형성하는 방법은 생화 확적인 결합 형성의 몇 가지 일반적인 특징을 설명합니다. 한 설탕의 -OH 그룹과 다른 그룹의 -OH 그룹 사이에 결합이 형성 될 때 물 분자가 방출되는 축합 반응에 의해 결합이 형성됩니다 (그림 2-19). 핵산 및 단백질과 같은 다른 생물학적 중합체의 서브 유닛은 또한 물이 제거되는 축합 반응에 의해 연결된다. 이러한 모든 축합 반응에 의해 생성 된 결합은 물의 분자가 소비되는 가수 분해의 역 과정에 의해 분해 될 수 있습니다 (그림 2-19 참조).

지방산은 에너지 원뿐만 아니라 세포막의 구성 요소입니다.

팔미틴산과 같은 지방산 분자는 두 개의 화학적으로 별개의 영역을 가지고 있습니다 (그림 2-21). 하나는 긴 탄화수소 사슬이며 소수성이며 화학적으로 반응성이 매우 낮습니다. 다른 하나는 산 (카르복시산)으로 작용하는 카르복시 (-COOH) 그룹입니다. 그것은 용액속에서 (-COO-)으로 이온화되어 매우 친수성이며 화학적으로 반응성이 큽니다. 세포의 거의 모든 지방산 분자는 카르 복실 산 그룹에 의해 다른 분자와 공유 결합되어있다.

팔미틴산의 탄화수소 테일은 포화 상태입니다 : 탄소 원자 사이에 이중 결합을 가지지 않으며 가능한 최대 수의 수소를 포함합니다. 동물성 지방의 일반적인 지방산 중 하나 인 스테아르 산도 포화 상태입니다. 올레산과 같은 일부 다른 지방산은 그 탄화수소 사슬중에  하나 이상의 이중 결합을 갖는 불포화 사슬을 가지고 있습니다. 이중 결합은 분자 내에 꼬임을 만들어 고체 덩어리로 함께 포개지는 능력을 방해합니다. 이것은 하드 마가린 (포화 상태)과 액체 식물성 기름 (다 불포화 물질)의 차이를 설명합니다. 세포에서 발견되는 많은 다른 지방산은 탄화수소 사슬의 길이와 탄소 - 탄소 이중 결합의 수와 위치가 다릅니다 (패널 2-5, pp.114-115 참조).

지방산은 많은 세포의 세포질에 그리세롤 분자에 결합 된 3 개의 지방산 사슬로 구성된 트리 아실 글리세롤 분자의 작은 방울 형태로 저장됩니다 (패널 2-5 참조). 이 분자들은 육류, 버터 및 크림에서 발견 된 동물성 지방과 옥수수 기름과 올리브 기름과 같은 식물성 기름입니다. 에너지 공급이 필요할 때 지방산 사슬은 트리 아실 글리세롤로부터  방출되어  2 탄소 단위로 분해된다. 이 2- 탄소 단위는 포도당의 분해에서 나온 된 것과 동일하며 이 장에서 나중에 설명하는 하겠지만 동일한 에너지 공급 반응 경로로 들어갑니다. 트리글리세라이드가 분해되면 무게비로 비교할 때 포도당에서 나올 수 있는 에너지의 6배의 에너지를  만들 수 있으므로 새포내 저장 에너지 로서 작용한다.

지방산 및 그 유도체, 예를 들어 트리 아실 글리세롤은 지질의 예입니다. 지질은 물에 불용성인 반면 벤젠과 같은 지방 및 유기 용매에 용해는 생물 분자들을 총체적 말한다. 그들은 전형적으로 지방산과 이소프렌에서와 같이 긴 탄화수소 사슬 또는 스테로이드와 같은 다중 연결된 고리를 포함하기도 합니다.

아미노산은 단백질의 소단위입니다.

아미노산은 한가지 공통된 성질을 가진 다양한 종류의 분자입니다 : 그들은 모두 알파 카본 (carbon-carbon)이라고 불리는 단일 탄소 원자에 연결된 카복실산 그룹과 아미노 그룹을 가지고 있습니다 (그림 2-23) . 그들의 화학적 다양성은 역시 알파- 탄소에 붙어있는 측쇄에서 비롯됩니다. 세포에서 아미노산의 중요성은 단백질을 만드는 데 있는데 단백질은 아미너산들이 머리와 꼬리 순서로 긴사슬형태로 연결된 다음  각 단백질 고유의 삼차원 구조로 접혀져 있다. 단백질 사슬에서 2 개의 인접한 아미노산 사이의 공유 결합은 아미드를 형성하고 (패널 2-1 참조), 이는 펩타이드 결합이라 불린다. 아미노산 사슬은 폴리펩티드로도 알려져있다 (그림 2-24). 그것이 만들어지는 특정 아미노산에 관계없이, 폴리 펩티드는 한쪽 말단 (N 말단)에 아미노 (NH2) 그룹을 갖고, 다른 말단 (C 말단)에 카르복시 (COOH) 그룹을 갖는다. 이것은  명확한 방향성 - 구조적인 (전기와는 대조적으로) 극성을 부여한다

단백질에서 일반적으로 발견되는 20 개의 아미노산은 알파 탄소 원자에 부착 된 다른 측쇄를 가지고 있습니다 (패널 3-1, 128-129 페이지 참조). 모든 생물, 세균, 고세균, 식물, 또는 동물이든 20가지 동일한 아미노산으로 만들어진 단백질을 가지고 있습니다.  어떻게 정확하게 동일한 아미노산 세트가 선택되었는지는 삶의 진화에 있어서 신비 중 하나입니다. 왜 다른 아미노산도 마찬가지로 작용할 수 없었던 명백한 화학적 이유는 없다. 그러나 일단 선택이 정해졌고  바뀔  수 없었고 그기에 순전히 의존 할 수 밖에 없었다.

당과 마찬가지로 글리신을 제외한 모든 아미노산은 D- 형태와 L 형태의 광학 이성질체로 존재한다 (패널 3-1 참조). 그러나 L- 형태만 단백질에서 발견됩니다 (D amino 산은 박테리아 세포벽의 일부와 일부 항생제에서 발생하지만). 단백질을 만들기위해 L 아미노산만이  사용된 근원은 또 다른 진화론 적 미스테리이다

뉴클레오타이드는 DNA와 RNA를 만드는 소단위입니다. 뉴클레오타이드는 5 개 탄소로된  당과 연결되어있는 질소 함유 고리 화합물로 구성되는 분자로 하나 이상의 인산기를 가지고 있습니다 (패널 2-6, pp.116-117 ). 5 탄당은 리보스 또는 데 옥시 리보스 일 수 있습니다. 리보오스를 함유하는 뉴클레오타이드는 리보 뉴클레오타이드로 알려져 있고, 데 옥시 리보 누클레오티드는 데 옥시 리보오스를 함유하는 것들이다. 질소 함유 고리는 일반적으로 역사적인 이유로 염기라고 합니다. 산성 조건 하에서 그들은 각각 H + (양성자)를 결합하여 수용액에서 OH- 이온의 농도를 증가시킬 수 있습니다. 서로 다른 염기 사이에는 강한 가족적 유사점이 있습니다. Cyfosine (C), 티민 (T) 및 우라실 (U)은 모두 6 개의 원자로된 피리 미딘 고리에서 유래하기 때문에 피리 미딘이라고 불립니다. 구아닌 (G) 및 아데닌 (A)은 푸린 화합물이며, 이들은 6각형 고리에  5 각형고리가 융합 되어 두 번째 고리를 갖는다. 각 뉴클레오타이드는 포함 된 염기에 따라서 이름을 붙입니다 (패널 2-6 참조).

뉴클레오타이드는 화학 에너지의 잠시동안 운반하는 역할을 할 수 있습니다. 다른 모든 것들보다 리보 뉴클레오타이드 아데노신 3 인산염 (ATP, 그림 2-26)은 수백 가지의 다른 세포 반응에서 에너지를 전달합니다. ATP는 식품의 산화적 분해에 의해 방출되는 에너지에 의해 유발되는 반응을 통해 형성됩니다. 세 개의 인산염은 두 개의 인산 무수물 결합으로 연속적으로 연결되어 있으며 그 결합이 분해될 때 많은 양의 유용한 에너지가 방출됩니다. 특히 말단 인산염 그룹은 종종 가수 분해에 의해 분리되어 종종 인산염을 다른 분자로 옮기고 에너지를 필요로하는 생합성 반응을 일으키는 에너지를 방출합니다 (그림 2-27). 다른 뉴클레오타이드 유도체는 후술하는 바와 같이 다른 화학 그룹을 전달하는 운반체이다.

그러나 세포에서 뉴클레오타이드의 가장 기본적인 역할은 생물학적 정보의 저장과 정보의 회수에 있습니다. 뉴클레오타이드는 뉴클레오티드 서브 유닛이 뉴클레오타이드의 당에 부착 된 인산기와 다음 뉴클레오티드의 당의 히드 록 실기사이의 포스 포디 에스테르 결합의 형성에 의해 공유 적으로 연결되는 다량체인 핵산을 구성하는 소 단위이다-   (그림 2-28). 핵산 사슬은 포스 포디 에스테르 결합 형성 동안 에너지가 풍부한 뉴 클레오 사이드 트리 포스페이트로부터 무기질 인산염을 방출하는 축합 반응에 의해 생성된다

비공유 결합은 거대 분자의 정확한 모양과 다른 분자와의 결합을 모두 지정

거대 분자의 공유 결합의 대부분은 결합하는 원자의 회전을 허용하여 고분자 사슬에 큰 유연성을 부여합니다. 임의의 열에너지는 고분자 사슬을 비틀고 회전시키므로 원칙적으로 이것은 거대 분자가 거의 무제한의 모양이나 형태를 채택 할 수있게합니다.. 그러나 대부분의 생물학적 거대 분자의 모양은 동일한 분자의 다른 부분 사이에 형성되는 비공유성 결합이 많아서 매우 제한적입니다. 이들 비공유 결합이 충분한 수로 형성되면, 폴리 머 사슬은 사슬 내의 단량체의 선형 서열에 의해 결정되는 하나의 특정 형태를 강하게 선호 할 수있다. 세포에서 발견되는 대부분의 단백질 분자와 많은 작은 RNA 분자는 이러한 방식으로 하나의 매우 선호하는 형태로 단단히 접 힙니다 (그림 2-31).

화학 반응의 두 가지 상반된 흐름이 세포에서 일어난다 : (1) 이화 경로는 식품을 더 작은 분자로 분해하여 세포에 유용한 형태의 에너지와 세포가 빌딩 블록으로 필요로하는 작은 분자를 생성한다. 2) 동화 또는 생합성 경로는 세포를 형성하는 많은 다른 분자의 합성을 촉진하기 위해 이화 작용에 의해 얻은 에너지를 사용합니다. 이 두 세트의 반응이 같이 세포의 신진 대사를 구성합니다 (그림 2-36).

산화는 산소 원자의 첨가만을 의미하지는 않습니다. 오히려 전자가 한 원자에서 다른 원자로 옮겨지는 모든 반응에 더 일반적으로 적용됩니다. 이 의미에서의 산화는 전자의 제거를 의미하고, 환원 - 산화의 반대는 전자의 첨가를 의미한다. 따라서, Fe2 *는 Fe3 *가되기 위해 전자를 잃으면 산화되고, Cl-가되기 위해 전자를 얻으면 염소 원자는 환원된다. 화학 반응에서 전자의 수는 손실되지 않기 때문에 산화와 환원은 항상 동시에 일어난다. 즉, 한 분자가 반응 (환원)에서 전자를 얻으면, 두 번째 분자가 전자 (산화)를 잃는다, 예를 들어. 당 분자가 CO2와 HzO로 산화되면, , H2O를 형성하는 데 관여하는 02 분자는 전자를 얻으며 따라서 환원되었다고합니다.

세포에서 어떤 분자는 전자 (e)를 얻을때, 동시에 양성자 (H +)를 같이 얻기도 합니다 (양성자는 물에서 얼마든지 사용 가능함). 이 경우 순수 결과는 그 분자에 수소 원자를 추가하는 것입니다.

A + e + H+ -->  AH

양성자와 전자가 관련 되더라도 (단순히  전자만이 아니라), 그러한 수소화 반응은 환원반응이며, 반대로 탈수소화 반응은 산화이다. 유기 분자가 산화되거나 환원되는지 여부를 쉽게 알 수 있습니다. C-H 결합의 수가 증가하면 환원이 일어나고 C-H 결합의 수가 감소하면 산화가 일어나게 됩니다 (그림 2-438 참조).

보통의 조건에서 가장 에너지 적으로 유리한(안정된) 형태의 탄소는 CO2이고 수소의 가장 안정된 형태는 H2O이지만, 살아있는 유기체는 한모금의 연기로 사라지지 않고 손에 든 책은 화염에 휩짜이지 않습니다. 이것은 생명체와 책 속에있는 분자가 상대적으로 안정된 상태에 있기 때문에 에너지를 투입하지 않고서도 낮은 에너지 상태로 바꿀 수 없기 때문입니다. 즉, 분자는 활성화 에너지 – 에너지 장벽을 걷어차기를 필요로합니다 (그림 244). 불타는 책의 경우 활성화 된 에너지는 불이 붙은 성냥의 열에 의해 제공됩니다. 세포 내부의 수분 용액에있는 분자의 경우, 온도가 올라감에 따라 더욱 격렬 해지는 분자 분자 충돌과 함께 비정상적으로 활발한 무작위 충돌에 의해 그 장벽 걷어차기가 전달됩니다

살아있는 세포에서, 에너지 장벽을 넘는 킥은 특수한 종류의 단백질, 즉 효소에 의해 크게 도움을 얻게됩니다. 각 효소는 기질이라 불리는 하나 이상의 분자에 단단히 결합하고 결합 된 기질이 겪을 수있는 특정 화학 반응의 활성화 에너지를 크게 감소시키는 방식으로 이들과 결합합니다. 반응의 활성화 에너지를 낮출 수있는 물질은 촉매라고 불린다. 촉매는 그림 2-45에 나와있는 것처럼 주위 장벽과의 무작위 충돌이 기질을 에너지 장벽 위로 걷어차 기 때문에 화학 반응의 속도를 증가시킵니다. 효소는 알려진 가장 효과적인 촉매 중 하나입니다. 최대 반응은 1014 또는 그 이상으로 증가합니다. 따라서 정상적인 온도에서 급속하게 진행되지 않는 반응을 일으나게[ 합니다.

효소는 또한 매우 선택적이다. 각각의 효소는 대개 하나의 특정 반응만을 촉매합니다. 즉, 결합 된 기질 분자가 겪을 수있는 몇 가지 가능한 화학 반응 중 하나의 활성화 에너지를 선택적으로 낮 춥니 다. 이런 식으로 효소는  세포 내 많은 다른 분자를 특정 반응 경로를 따르록 각각 지시합니다 (그림 2-46). 살아있는 유기체의 성공은 많은 종류의 효소를 만드는 세포의 능력에 기인한다. 각 효소는 특 정 기질 만 들어갈 수있는 효소 부위 인 포켓 또는 홈이 있는 독특한 장소 활성부위(촉매부위)을 가지고 있습니다 (그림 z-42). 다른 모든 촉매와 마찬가지로, 효소 분자 자체는 반응에 참여한 후에도 변하지 않으므로 반복적으로 기능 할 수 있습니다. 3 장에서 우리는 효소가 어떻게 작용하는지 더 논의한다.

The Formation of an Activated Carrier ls Coupled to anEnergetical ly Favorable Reaction

글루코스와 같은 연료 분자가 세포 내에서 산화되면 효소 촉매 반응으로 산화에 의해 방출되는 자유 에너지의 대부분이 열로 방출되기보다 화학적으로 유용한 형태로 포획됩니다. 이것은 연결 반응에 의해 달성되며, 여기에서 에너지 측면에서 유리한 반응이 에너지 적으로 불리한 반응을  일으나게 하여 활성화 된 캐리어 분자 또는 다른 유용한 에너지 저장물질을 생성한다. 이 커플 링 메커니즘은 효소를 필요로하며 세포의 모든 에너지 거래에 기본입니다.

연결 반응의 특성은 그림 2-56에서 기계적 유추에 의해 설명되며, 여기에서 에너지 적으로 유리한 화학 반응은 절벽에서 떨어지는 암석으로 표현됩니다. 낙하하는 암석의 에너지는 일반적으로 암석이 땅에 떨어지면 마찰로 인해 발생하는 열의 형태로 완전히 낭비됩니다 (그림 2-39의 떨어지는 벽돌 도표 참조). 그러나 신중한 설계로 이 에너지의 일부는 물통을 들어 올리는 외륜을 작동시키는 데 사용될 수 있습니다 (그림 2-56B). 암석은 이제 외륜을 움직여야 만 땅에 닿을 수 있기 때문에, 우리는 암석 낙하의 에너지 적으로 유리한 반응이 물통을 들어 올리는 에너지 적으로 바람직하지 않은 반응에 직접적으로 연결 되었다고 말합니다. 에너지의 일부는 (B)에서 일하기 위해 사용되기 때문에, 암석은 (A)에서보다 느린 속도로 지면에 부딪히며 그에 상응하여 더 적은 에너지가 열로 분산된다

ATP는 가장 널리 사용되는 활성 캐리어 분자입니다.

세포에서 가장 중요하고 다양한 용도로 사용되는 활성화 된 캐리어  는 ATP (아데노신 트리 포스페이트)입니다. 그림 2-56B의 상승 된 양동이에 저장된 에너지가 다양한 유압 기계를 구동 할 수있는 것처럼 ATP는 셀에서 다양한 화학 반응을 일으키는 데 사용되는 편리하고 다재다능한 저장 또는 화폐입니다. ATP는 ADP (아데노신 디 포스페이트)에 인산기가 첨가 된 에너지 적으로 바람직하지 않은 인산화 반응에 의해 합성된다. 필요하다면, ATP는 에너지 적으로 유리한 가수 분해를 통해 ADP와 무기 인산으로 분해되면서  에너지 를 방출한다 (그림 2-57). 재생 된 ADP는 ATP를 형성하는 인산화 반응의 또 다른 라운드에 사용될 수있다

NADH와 NADPH는 중요 전자 캐리어입니다.

다른 중요한 활성 캐리어 분자는 산화 환원 반응에 참여하며 일반적으로 세포에서 연결 된 반응의 일부입니다. 이러한 활성화 된 캐리어는 고 에너지 전자 및 수소 원자를 운반하는 데 특화되어 있습니다. 이 전자 캐리어 중 가장 중요한 것은 NAD + (니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드)와 그와 유사한 분자 인 NADP + (니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드 인산염)입니다. 나중에 우리는 그들이 참여하는 몇 가지 반응을 조사합니다. NAD +와 NADP +는 각각 두 개의 고 에너지 전자와 양성자 (H +) 로 된 "에너지 패킷"을 얻어서- NADH (환원 된 니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드)와 NADPH (환원 된 니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드 인산염)로 변환됩니다. 따라서 이들 분자는 수 소화물 이온 (H + 더하기 두 개의 전자 또는 H-)의 운반자로 간주 될 수 있습니다.

ATP와 마찬가지로, NADPH는  에너지 적으로 바람직하지 않은 많은 중요한 생리 학적 반응에 참여하는 활성화 된 운반체이다. NADPH는 그림 2-60A에서 일반적인 방법에 따라 생산된다. 에너지 생성하는 특정 이화 반응 동안 수소 원자와 두 개의 전자가 기질 분자에서 제거되어 NADP +의 니코틴 아미드 고리에 추가되어 양성자 (H +)가 용액으로 방출된다. 이는 전형적인 산화 환원 반응입니다. 기질은 산화되고 NADP *는 환원된다. NADP+와 NADPH의 구조는그림 2-608에서 보여잔다.

니코틴 아미드 고리가 전자가 없을 때 더 안정한 배열을 달성 할 수 있기 때문에 산화 - 환원 반응에서 수 소화물 이온을 쉽게 방츨한다. NADP+를 재생시키는 이 후속 반응에서는 NADPH는 산화 되고 기질이 환원됩니다. NADPH는 다른 분자에 Hydride 이온을 효과적으로 제공합니다.

hexose

alpha-glucose  beta-glucose

D-glucose   L-glucose

Fischer Projection

This is the most common and easiest way of drawing a chemical structure for an isomer. It is a 2D structure and is a linear structure.

Figure 1: Fischer Projection for D and L Glucose

Haworth Projection

This is a 3D representation of the molecule and it shows the cyclic structure of the molecule. The cycle is formed through the formation of a bridge through the oxygen atom of aldehyde group.

Figure 2: The Haworth Projection of D and L Glucose.

The cyclic structure has a bridge through Oxygen atom; thus, Glucose is called Glucopyranose in order to avoid any confusion.

Chair Confirmation

Figure 3: β-D-Glucose Chair Confirmation

The actual spatial structure of a molecule is given by the chair confirmation. But it is difficult to deal with this structure in comparisons and identifications. In order to avoid confusion, these D and L isomers are called α and β isomers. This method is the most accurate way of representation.

What is D-Glucose

D-Glucose is a sugar molecule that can rotate the plane polarized light in the clockwise direction. In the Fischer projection, D-Glucose shows four –OH groups on the sides of the main carbon chain. Three of the –OH groups are on the right side whereas other –OH group is on the left side (-OH group attached to the 3rd carbon atom).

Figure 4: Fischer projection of D-Glucose

In the above image, -OH group inside the green colored box is on the left side whereas other –OH groups are on the right side.

Figure 5: Haworth Projection of D-Glucose

In the Haworth projection of the D-Glucose, one of the –OH groups is directed upward whereas other –OH groups are downward.

D-Glucose is the form of Glucose that is found abundant in nature. It is the basic form of energy storage and living beings use D-Glucose to fulfil their energy needs.

What is L-Glucose

L-Glucose is the mirror image of D-Glucose. But this mirror image is non-superimposable with D-Glucose. Therefore, L-Glucose is considered as the enantiomer of D-Glucose. Since it is the mirror image, the –OH groups of the Fischer projection are located in completely opposite directions. This structure also has three –OH groups at the same side and other –OH group on the opposite side. But unlike in D-Glucose, three –OH groups are on the left side of the main carbon chain whereas other –OH group is located on the right side.

Figure 6: Fischer Projection of L-Glucose

In the Fischer projection of D-Glucose, the –OH groups are located in the opposite directions compared to the Fischer projection of D-Glucose.

Figure 7: Haworth projection of L-Glucose

When considering the Haworth projection, the three –OH groups are directed upward and the –OH group attached to the 3rd carbon is directed downward.

L-Glucose is not abundant in nature. But L-Glucose can be found in some fruits and vegetables. Since it is the non-superimposable mirror image of D-Glucose, the molecular formula and the molar massare the same for D and L Glucose isomers. But the chemical properties and their occurrence would be different due to different spatial arrangements.

Difference Between D and L Glucose

Definition

D-Glucose: D-Glucose is a sugar molecule that is abundant in nature.

L-Glucose: L-Glucose is a sugar molecule that is less abundant in nature.

Rotation of Light

D-Glucose: D-Glucose can rotate plane polarized light in the clockwise direction.

L-Glucose: L-Glucose can rotate plane polarized light in anticlockwise direction.

Fischer Projection

D-Glucose: The Fischer projection of D-Glucose has a –OH group on the left side of the main carbon chain whereas other –OH groups are on the right side.

L-Glucose: The Fischer projection of L-Glucose has a –OH group on the right side of the main carbon chain whereas other –OH groups are on the left side.

Haworth Projection

D-Glucose: The Haworth projection of D-Glucose has a –OH group in the upward direction whereas other –OH groups are downward.

L-Glucose: The Haworth projection of L-Glucose has a –OH group in the downward direction whereas other –OH groups are upward.

Conclusion

Glucose can be found in nature as either D-Glucose or L-Glucose. The main difference between D and L Glucose is that D-Glucose rotates plane polarized light clockwise whereas L-Glucose rotates plane polarized light anticlockwise.