Respirația celulară – Energia în sistemele vii – Reacții redox

Figura 7.1 Această centrală de energie geotermală transformă energia termică din adâncul pământului în energie electrică, care poate fi utilizată cu ușurință. (credit: modificarea lucrării Departamentului de Apărare al SUA)

Instalația de energie electrică din figura 7.1 transformă energia dintr-o formă în alta care poate fi utilizată mai ușor. Acest tip de centrală generatoare începe cu energie termică subterană (căldura) și o transformă în energie electrică, care va fi transportată către locuințe și fabrici. Asemenea unei fabrici de generare, plantele și animalele trebuie să ia energie din mediu și să o transforme într-o formă pe care celulele lor o pot folosi. Masa și energia stocată intră într-o formă în corpul unui organism și sunt transformate într-o altă formă care poate alimenta funcțiile de viață ale organismului. În procesul de fotosinteză, plantele și alți producători fotosintetici preiau energie sub formă de lumină (energie solară) și o transformă în energie chimică sub formă de glucoză, care stochează această energie în legăturile sale chimice. Apoi, o serie de căi metabolice, numite colectiv respirație celulară, extrag energia din legăturile din glucoză și o transformă într-o formă pe care toate ființele vii o pot folosi.

7.1 Energia în sistemele vii

Producția de energie într-o celulă implică multe căi chimice coordonate. Cele mai multe dintre aceste căi sunt combinații de reacții de oxidare și reducere, care apar în același timp. O reacție de oxidare scoate un electron dintr-un atom dintr-un compus, iar adăugarea acestui electron la un alt compus este o reacție de reducere. Deoarece oxidarea și reducerea apar de obicei împreună, aceste perechi de reacții sunt numite reacții de oxidare-reducere sau reacții redox.

Figura 7.2 Etapele de oxidare/reducere a unui singur carbon. Electronii se pierd din carbon pe măsură ce metanul este oxidat în dioxid de carbon. Pierderea de electroni este însoțită și de pierderea de energie. Electronii sunt câștigați în timpul reducerii dioxidului de carbon la metan. Câștigul unui electron este însoțit de un câștig de energie potențială și adesea de adăugarea unui proton (H+). Credit: Ryan, K., Rao, A. și Fletcher, S. Departamentul de Biologie, Universitatea Texas A&M.

Electroni și energie

Îndepărtarea unui electron dintr-o moleculă (oxidându-l), are ca rezultat o scădere a energiei potențiale în compusul oxidat. Cu toate acestea, electronul (uneori ca parte a unui atom de hidrogen) nu rămâne nelegat în citoplasma unei celule. Mai degrabă, electronul este mutat la un al doilea compus, reducând al doilea compus. Deplasarea unui electron de la un compus la altul elimină o parte de energie potențială din primul compus (compusul oxidat) și crește energia potențială a celui de-al doilea compus (compusul redus). Transferul de electroni între molecule este important deoarece cea mai mare parte a energiei stocate în atomi și utilizată pentru funcțiile celulei de combustibil este sub formă de electroni de înaltă energie. Transferul de energie sub formă de electroni de înaltă energie permite celulei să transfere și să utilizeze energia într-un mod incremental – în pachete mici, mai degrabă decât într-o singură explozie distructivă. Acest capitol se concentrează pe extragerea energiei din alimente; veți vedea că, pe măsură ce urmăriți calea transferurilor, urmăriți calea electronilor care se deplasează prin căile metabolice.

Purtători de electroni

În sistemele vii, o mică clasă de compuși funcționează ca navete de electroni: ei leagă și transportă electroni de înaltă energie între compuși pe căile biochimice. Principalii purtători de electroni pe care îi vom considera sunt derivați din grupul vitaminei B și sunt derivați ai nucleotidelor. Acești compuși pot fi ușor reduși (adică acceptă electroni) sau oxidați (pierd electroni). Nicotinamida adenin dinucleotida (NAD) (Figura 7.3) este derivată din vitamina B3, niacină. NAD⁺ este forma oxidată a moleculei; NADH este forma redusă a moleculei după ce a acceptat doi electroni și un proton (care împreună sunt echivalentul unui atom de hidrogen cu un electron în plus). Rețineți că, dacă un compus are un „H” pe el, acesta este în general redus (de exemplu, NADH este forma redusă a NAD).

NAD⁺ poate accepta electroni dintr-o moleculă organică conform ecuației generale:

agent reducător RHR + agent oxidant NAD⁺ → NADH redus + R oxidat

Când se adaugă electroni la un compus, acesta este redus. Un compus care reduce pe altul se numește agent reducător. În ecuația de mai sus, RH este un agent reducător, iar NAD⁺ este redus la NADH. Când electronii sunt îndepărtați dintr-un compus, acesta este oxidat. Un compus care oxidează pe altul se numește agent oxidant. În ecuația de mai sus, NAD⁺ este un agent oxidant, iar RH este oxidat la R.

În mod similar, flavin adenin dinucleotide (FAD⁺) este derivată din vitamina B₂, numită și riboflavină. Forma sa redusă este FADH₂. O a doua variantă a NAD, NADP, conține o grupare fosfat suplimentară. Atât NAD⁺ cât și FAD⁺ sunt utilizate pe scară largă în extracția energiei din zaharuri, iar NADP joacă un rol important în reacțiile anabolice și fotosinteza la plante.

Figura 7.3 Forma oxidată a purtătorului de electroni (NAD⁺) este prezentată în stânga, iar forma redusă (NADH) este prezentată în dreapta. Baza azotată din NADH are un ion de hidrogen în plus și doi electroni mai mult decât în NAD⁺.

Sursa: Biology 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2022 MultiMedia Publishing