Окислительно-восстановительные реакции (редокс) в биохимии: интуитивный подход, степени окисления...

Иногда «эмпирическое правило» может заставить вас почувствовать себя глупым, но, поняв, почему оно (часто) помогает, вы сможете преодолеть это! Атомы образуют связи, обмениваясь электронами, но насколько справедливо распределяются электроны? И почему это должно вас волновать? Редокс-реакции означают окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны «обмениваются местами». Когда вы изучаете редокс-реакции и/или ищете информацию в интернете, обычно это объясняется на примере неорганических реакций, что упрощает понимание, поскольку вы можете наглядно представить, как электроны приходят, уходят и перетекают от одной молекулы к другой. Но когда дело доходит до биохимии и органических реакций, все может показаться гораздо сложнее, и легко запутаться (я знаю, что у меня такое случалось/до сих пор случается!). Поэтому я хочу попробовать объяснить вещи по-другому, используя биохимические аналогии с собаками и фишками для покера, что, надеюсь, окажется полезным. Полный текст и рисунки: https://bit.ly/redoxbiochem Атомы в молекулах удерживаются друг с другом, потому что они делят пары электронов, которые представляют собой крошечные отрицательно заряженные частицы, вращающиеся вокруг центральной части атома, ядра, в котором находятся положительно заряженные крошечные, но не такие уж и крошечные частицы, называемые протонами, и некоторые другие незаряженные частицы, называемые нейтронами. Мне нравится представлять атомы как выгульщиков собак (протоны), пытающихся контролировать группу собак (электроны). Особенно супер-гипер-собаки, которые находятся на грани (валентные электроны). Эти гипер-собаки чаще всего отвлекаются – их может привлечь внимание к собакам, которых выгуливают другие хозяева, и они могут утащить за собой своего выгульщика и остальных собак, образуя новую ковалентную связь (атомы, удерживаемые вместе общей парой электронов) или, если у них достаточно силы, разорвать её. Необходимое количество силы зависит от того, насколько сильно их тянет назад ходунок. Их «тяговая сила» обусловлена положительным притяжением протонов и тем, насколько хорошо это притяжение ощущается электронами. Кислород, например, является сильным притягивающим агентом (он обладает высокой электроотрицательностью), тогда как водород — слабым. Поэтому, когда кислород и водород образуют связь, кислород забирает себе их общие электроны, в результате чего кислород становится частично отрицательным, а водород — частично положительным, именно поэтому вода «липкая». Атомы «поставляются» с определённым числом протонов, фиксированным для данного элемента (например, кислород (O) имеет 8 и всегда имеет 8, тогда как водород (H) имеет 1 и всегда будет иметь 1, иначе это не был бы водород). Но число электронов может меняться, поскольку атомы стремятся к своему «идеальному числу», которое обычно соответствует полной «внешней оболочке». Электроны могут передаваться от одной молекулы к другой, и мы называем это перемещением электронов восстановлением (приобретение электронов) и окислением (потеря электронов). Одно не может существовать без другого, поэтому мы называем эти реакции окислительно-восстановительными (окислительно-восстановительными) реакциями. Чтобы запомнить, что приобретает, а что теряет, можно использовать схему: окисление — это потеря (электронов), а восстановление — это приобретение (электронов). Это проще всего понять, когда электроны приходят и уходят, как в батареях, где электроды перемещаются с одной стороны на другую. Но это также применимо, когда происходит только изменение плотности электронов, как, например, собака, решающая что-то сделать. Новый совладелец нравится больше, и компания меняет лояльность. И это часто происходит в биохимии. Вместо полных переносов происходит скорее то, что атом получает больше или меньше общего электронного облака. Если атому углерода приходится делить пару электронов с кислородом, общие электроны будут проводить больше времени рядом с кислородом. Следовательно, этот углерод теряет электронную плотность (окисляется). Если же углерод связан с водородом, он получит больше электронной плотности, поэтому можно сказать, что он восстанавливается. Подробнее об этом здесь: http://bit.ly/ridiculousredox