If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Dacă sunteţi în spatele unui filtru de web, vă rugăm să vă asiguraţi că domeniile *. kastatic.org şi *. kasandbox.org sunt deblocate.

Conţinutul principal

Introducere în respirația celulară și redox

Introducere în studiul reacției redox în respirația celulară. Fosforilare la nivel de substrat vs. fosforilare oxidativă. Purtători de electroni.

Introducere

Să ne imaginăm că ești o celulă. Tocmai ți s-a administrat o moleculă mare și suculentă de glucoză și dorești să transformi o parte din energia acestei molecule de glucoză într-o formă mai utilă, una pe care o poți utiliza pentru a alimenta reacţiile tale metabolice. Cum poți face asta? Care este cel mai bun mod pentru tine de a stoarce cât mai multă energie posibilă din acea moleculă de glucoză, de a capta această energie într-o formă utilă?
Din fericire pentru noi, celulele noastre – şi cele ale altor organisme vii – sunt excelente în recoltarea energiei din glucoză şi din alte molecule organice, cum ar fi grăsimile şi aminoacizii. Aici vom avea o imagine generală, la un nivel înalt, a modului în care celulele descompun combustibilii. Apoi, vom examina mai îndeaproape unele dintre reacţiile de transfer al electronilor (reacţiile redox), reacții care sunt esenţiale pentru acest proces.

Prezentare generală a căilor de descompunere ale combustibilului

Reacţiile care extrag energie din molecule, ca de exemplu din glucoză, se numesc reacţii catabolice. Asta înseamnă că implică descompunerea unei molecule mai mari în bucăţi mai mici. De exemplu, atunci când glucoza este descompusă în prezenţa oxigenului, aceasta este transformată în şase molecule de dioxid de carbon şi şase molecule de apă. Reacția generală pentru acest proces poate fi scrisă astfel:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text delta, G, equals, minus, 686, start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text
Într-o celulă, această reacţie globală este împărţită în mai mulţi paşi mai mici. Energia conţinută în legăturile glucozei este eliberată prin explozii mici, iar o parte din aceasta este captată sub formă de adenozin trifosfat (ATP), o moleculă mică care produce reacţii la nivelul celulei. O mare parte din energia glucozei este împrăștiată sub formă de căldură, dar este captată suficientă pentru a ajuta la funcționarea metabolismului celulei.
Structura ATP-ului.
_Imagine modificată din "ATP: Adenosine triphosphate: Figure 1," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0._
Deoarece o moleculă de glucoză este descompusă treptat, unii pași eliberează energie care este captată direct sub formă de ATP. În aceste etape, o grupare de fosfat este transferată de pe o cale intermediară direct către ADP, un proces cunoscut sub numele de fosforilare la nivel de substrat.
Cu toate acestea, mulți alți pași produc ATP în mod indirect. În acești pași, electronii din glucoză sunt transferați în molecule mici cunoscute sub numele de transportori electronici. Electronii transportă electronii la un grup de proteine din membrana interioară a mitocondriei, numit lanţul de transport al electronilor. Pe măsură ce electronii trec prin lanțul de transport al electronilor, ei trec de la un nivel energetic mai ridicat la un nivel mai scăzut și, în cele din urmă, sunt transmise oxigenului (formând apă).
Pe măsură ce electronul trece prin lanțul de transport al electronilor, energia pe care o eliberează este folosită pentru pomparea protonilor (start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript) din matricea mitocondriei, formând un gradient electrochimic. Când start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript se reîntoarce pe gradient, ele trec printr-o enzimă numită ATP sintetază, conducând la sinteza de ATP. Acest proces este cunoscut ca fosforilare oxidativă. Diagrama de mai jos prezintă exemple de fosforilare oxidativă și la nivel de substrat.
Diagramă simplificată care arată fosforilarea oxidativă şi fosforilarea substratului în timpul reacţiilor de descompunere a glucozei. În interiorul matricei mitocondriei, fosforilarea la nivel de substrat are loc atunci când o grupare de fosfat, dintr-un intermediar al reacțiilor de descompunere a glucozei, este transferată către ADP, formând ATP. În acelaşi timp, electronii sunt transportaţi de la intermediarii reacţiilor de descompunere a glucozei la lanţul de transport al electronilor, de către electroni transportori. Electronii se mişcă prin lanţul de transport al electronilor, pompând protoni în spaţiul intermembranar. Când acești protoni se reîntorc în gradientul de concentrație, trec prin sinteza de ATP, care utilizează fluxul de electroni pentru a sintetiza ATP din ADP și fosfat anorganic (Pi). Acest proces de transport al electronilor, pompare de protoni și captarea de energie din gradientul de protoni pentru producerea ATP se numește fosforilare oxidativă.
_Imagine modificată din "Etc4" by Fvasconcellos (public domain)._
Atunci când combustibilii organici, precum glucoza, sunt descompuși, utilizând un lanț de transport electronic, procesul de descompunere este cunoscut sub denumirea de respirație celulară.

Transportori de electroni

Transportorii de electroni, numiți și electroni de transfer, sunt molecule organice mici care joacă roluri cheie în respirația celulară. Numele lor descrie foarte bine rolul pe care îl au: ei colectează electroni dintr-o moleculă și îi transmit alteia. În diagrama de mai sus, poți vedea un purtător de electroni care transferă electronii de la reacțiile de descompunere a glucozei la lanțul de transport al electronilor.
Există două tipuri de purtători de electroni care sunt deosebit de importanţi în respiraţia celulară: NADstart superscript, plus, end superscript (nicotinamida adenin dinucleotid, prezentată mai jos) şi DAP (flavin adenin dinucleotide).
Structuri chimice de NAD+ şi NADH. NADH are un hidrogen legat de un inel care conţine azot, în timp ce în NAD+ acelaşi inel nu are hidrogen şi are o încărcătură pozitivă.
_Imagine modificată din "Energy in living systems: Figure 1," by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
Atunci când NADstart superscript, plus, end superscript și FAD colectează electroni, ei câștigă, de asemenea, unul sau mai mulți atomi de hidrogen, trecând la o formă ușor diferită:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text plus start text, space, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript
Şi când ei transferă electronii, se întorc la forma lor originală:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
Reacţiile în care NADstart superscript, plus, end superscript şi FAD câştigă sau pierd electroni sunt exemple ale unei clase de reacţii numite reacţii redox. Să ne uităm mai atent care sunt aceste reacţii şi de ce sunt atât de importante în respiraţia celulară.

Reacţiile redox: Ce sunt acestea?

Respiraţia celulară implică multe reacţii în care electronii sunt transferați de la o moleculă la alta. Reacţiile care implică transferuri de electroni sunt cunoscute sub numele de reacţii de reducere a oxidării (sau reacţii redox).
Este posibil să fi învățat la chimie că o reacție redox este atunci când o moleculă pierde electroni și este oxidată, în timp ce o altă moleculă câștigă electroni (cei pierduți de prima moleculă) și este redusă. Mnemonic util: “PEO se transformă în CER”: Pierde Electroni, Oxidizați; Capătă Electroni, Reduși.
Formarea clorurii de magneziu este un exemplu de reacție redox care corespunde perfect definiției noastre de mai sus:
start text, M, g, end text, plus, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, right arrow, start text, M, g, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, plus, 2, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript
În această reacţie, atomul de magneziu pierde doi electroni, deci este oxidat. Aceşti doi electroni sunt acceptaţi de clor, care se reduce.
Cu toate acestea, după cum subliniază Sal în videoclipul său pe tema oxidarea și reducerea în biologie, ar trebui să punem citatele despre "câștigul de electroni" și "pierderea de electroni" în descrierea noastră referitoare la ce se întâmplă cu moleculele dintr-o reacție redox. Asta pentru că putem avea, de asemenea, o reacţie în care o moleculă își însușește electronii, mai degrabă decât să-i câștige complet sau îi sunt însușiți electronii de către altă moleculă, în loc să-i piardă cu adevărat.
Ce înţelegem prin asta? Pentru a ilustra, hai să folosim exemplul din filmulețul lui Sal:
2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript plus start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text plus start text, c, a, with, \u, on top, l, d, u, r, a, with, \u, on top, end text
Această reacţie nu implică un transfer evident de electroni, dar este totuşi un exemplu de reacţie redox. Asta pentru că densitatea electronică a atomilor start text, H, end text și start text, O, end text este diferită în produși, față de reactanți.
Nu pare chiar evident de ce e adevărat, așa că hai să o descompunem folosind proprietățile atomilor. Când atomii de H sunt legați unul de celălalt în H, start subscript, 2, end subscript, împart electronii în mod egal: niciunul nu câștigă bătălia pentru electroni. Același lucru este valabil pentru atomii de space, O legați unul de altul în space, O, start subscript, 2, end subscript. Cu toate acestea, situația este diferită în produs, H, start subscript, 2, end subscript, O. Oxigenul este mult mai electronegativ, sau înfometat de electroni, decât hidrogenul, deci într-o legătură de start text, O, end text, minus, start text, H, end text într-o moleculă de apă, electronii vor fi însușiți de atomul de start text, O, end text și vor petrece mai mult timp lângă el, față de start text, H, end text.
Deci, chiar dacă în reacţia de mai sus nu s-a câştigat sau pierdut niciun electron:
  • start text, O, end text are o densitate a electronilor mai mare decât înainte (a fost redusă)
  • start text, H, end text are o densitate de electroni mai mică decât înainte (a fost oxidată).
Pentru amatorii de chimie, această schimbare a însușirii electronilor în timpul reacției poate fi descrisă mai precis ca o schimbare a stărilor de oxidare ale atomilor de start text, O, end text și start text, H, end text. Vezi Videoclipul lui Sal pentru a înțelege cum pot fi folosite stările de oxidare ca "instrumente de cartere", pentru a reprezenta schimbări în punerea în comun a electronilor.

Dar câștigarea și pierderea de electroni de start text, H, end text și start text, O, end text?

Reacțiile de oxidare și reducere se referă în mod fundamental la transferul și/sau însușirea electronilor. Cu toate acestea, în contextul biologiei, există un mic truc pe care îl putem folosi adesea pentru a ne da seama unde merg electronii. Acest truc ne permite să folosim câștigul sau pierderea de atomi de start text, H, end text și start text, O, end text, ca un indicator pentru transferul electronilor.
În general:
  • Dacă o moleculă care conține carbon câștigă atomi de H sau pierde atomi de start text, O, end text în timpul unei reacții, probabil a fost redusă (câștigare de electroni sau densitate electronică).
  • Pe de altă parte, dacă o moleculă care conține carbon pierde atomi de H sau câștigă atomi de O, a fost probabil oxidată (pierde electroni sau densitate electronică)
De exemplu, să ne întoarcem la reacţia de descompunere a glucozei:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text
În glucoză, carbonul este asociat cu atomi de start text, H, end text, în timp ce în dioxidul de carbon, nu este asociat cu start text, H, end text. Deci, putem anticipa că glucoza este oxidată în această reacţie. În mod asemănător, după reacție, atomii de start text, O, end text în start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript vor fi asociați cu mai mulți atomi de start text, H, end text decât înainte; așadar, putem anticipa că oxigenul va fi redus. (Sal confirmă acest lucru dintr-o perspectivă de transfer al electronilor în videoclipul despre reacţiile de redox în respiraţie.)
De ce funcționează această șmecherie? Iată cum putem gândi: urmărește filmul lui Sal despre oxidarea și reducerea în biologie:
  • Atomii de care start text, H, end text este de obicei legat în moleculele organice, cum ar fi start text, C, comma, space, O, comma, space, N, comma, end text și start text, P, end text, comma sunt mai electronegative decât start text, H, end text în sine. Deci, dacă un atom de start text, H, end text și electronul său se alătură unei molecule, șansele sunt ca orice ar fi legat de noul start text, H, end text să-și însușească electronul și să se reducă.
  • start text, O, end text este mai electronegativ decât oricare alt atom major, care se găsește de obicei în moleculele biologice. Dacă se alătură unei molecule, probabil, densitatea de electroni se va schimba foarte mult pentru orice este ataşat, prin oxidare.

Care este rostul acestor reacții redox?

Acum, pentru că avem înțelegem mai bine ce este o reacție redox, haide să ne gândim și de ce. De ce o celulă trece prin dificultatea de a desprinde electronii de pe glucoză, transferându-i pe electroni purtători, trecându-i printr-un lanţ de transport electronic, într-o serie lungă de reacţii redox?
Răspunsul de bază este: pentru a obține energie din acea moleculă de glucoză! Mai jos este reacţia de descompunere a glucozei pe care am văzut-o la începutul articolului:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text Δ, G, equals, minus, 686, start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text
Ceea ce putem rescrie un pic mai clar astfel:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + start text, e, n, e, r, g, i, e, !, end text
Așa cum explicăm în videoclipul despre reacții redox în respirație, electronii sunt la un nivel mai ridicat de energie atunci când sunt asociați cu mai puțini atomi electronegativi (cum ar fi start text, C, end text sau start text, H, end text) și la un nivel mai scăzut de energie, atunci când sunt asociați cu un atom mai electronegativ (cum ar fi start text, O, end text). Deci, într-o reacţie precum descompunerea glucozei de mai sus, energia este eliberată pentru că electronii se mişcă spre o energie mai mică, o stare mai „confortabilă” pe măsură ce circulă de la glucoză la oxigen.
Energia eliberată pe măsură ce electronii se mută la o stare energetică mai joasă, poate fi captată şi folosită pentru a lucra. În respirația celulară, electronii din glucoză se deplasează treptat de-a lungul lanțului de transport al electronilor către oxigen, trecând la stări cu un consum tot mai redus de energie și eliberând energie la fiecare etapă. Scopul respiraţiei celulare este de a capta această energie sub forma ATP.
Imagine modificată din Carbohydrate metabolism: Figure 1 by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
În următoarele articole si videoclipuri, vom trece pas cu pas prin respirația celulară, pentru a vedea cum energia emisă în redox este captată sub formă de ATP.