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 reacțiile 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 – și cele ale altor organisme vii – sunt excelente în recoltarea energiei din glucoză și din alte molecule organice, cum ar fi grăsimile și 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 reacțiile de transfer al electronilor (reacțiile redox), reacții care sunt esențiale pentru acest proces.

Prezentare generală a căilor de descompunere ale combustibilului

Reacțiile care extrag energie din molecule, ca de exemplu din glucoză, se numesc reacții catabolice. Asta înseamnă că implică descompunerea unei molecule mai mari în bucăți mai mici. De exemplu, atunci când glucoza este descompusă în prezența oxigenului, aceasta este transformată în șase molecule de dioxid de carbon și șase molecule de apă. Reacția generală pentru acest proces poate fi scrisă astfel:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686kcal/mol
Într-o celulă, această reacție globală este împărțită în mai mulți pași mai mici. Energia conținută 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 reacții 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 lanțul 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 (H+) din matricea mitocondriei, formând un gradient electrochimic. Când H+ 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 și fosforilarea substratului în timpul reacțiilor 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 același timp, electronii sunt transportați de la intermediarii reacțiilor de descompunere a glucozei la lanțul de transport al electronilor, de către electroni transportori. Electronii se mișcă prin lanțul de transport al electronilor, pompând protoni în spațiul 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 importanți în respirația celulară: NAD+ (nicotinamida adenin dinucleotid, prezentată mai jos) și DAP (flavin adenin dinucleotide).
Structuri chimice de NAD+ și NADH. NADH are un hidrogen legat de un inel care conține azot, în timp ce în NAD+ același inel nu are hidrogen și are o încărcătură pozitivă.
_Imagine modificată din "Energy in living systems: Figure 1," by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
Atunci când NAD+ și FAD colectează electroni, ei câștigă, de asemenea, unul sau mai mulți atomi de hidrogen, trecând la o formă ușor diferită:
NAD+ + 2e + 2H+ NADH +  H+
FAD + 2e + 2 H+ FADH2
Și când ei transferă electronii, se întorc la forma lor originală:
NADH NAD+ + 2e + H+
FADH2 FAD + 2e + 2 H+
Reacțiile în care NAD+ și FAD câștigă sau pierd electroni sunt exemple ale unei clase de reacții numite reacții redox. Să ne uităm mai atent care sunt aceste reacții și de ce sunt atât de importante în respirația celulară.

Reacțiile redox: Ce sunt acestea?

Respirația celulară implică multe reacții în care electronii sunt transferați de la o moleculă la alta. Reacțiile care implică transferuri de electroni sunt cunoscute sub numele de reacții de reducere a oxidării (sau reacții 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:
Mg+Cl2Mg2++2Cl
În această reacție, atomul de magneziu pierde doi electroni, deci este oxidat. Acești doi electroni sunt acceptați 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 reacție 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 înțelegem prin asta? Pentru a ilustra, hai să folosim exemplul din filmulețul lui Sal:
2H2 + O2 2H2O + căldură
Această reacție nu implică un transfer evident de electroni, dar este totuși un exemplu de reacție redox. Asta pentru că densitatea electronică a atomilor H și O 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 H2, împart electronii în mod egal: niciunul nu câștigă bătălia pentru electroni. Același lucru este valabil pentru atomii de  O legați unul de altul în  O2. Cu toate acestea, situația este diferită în produs, H2O. Oxigenul este mult mai electronegativ, sau înfometat de electroni, decât hidrogenul, deci într-o legătură de OH într-o moleculă de apă, electronii vor fi însușiți de atomul de O și vor petrece mai mult timp lângă el, față de H.
Deci, chiar dacă în reacția de mai sus nu s-a câștigat sau pierdut niciun electron:
  • O are o densitate a electronilor mai mare decât înainte (a fost redusă)
  • H 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 O și H. 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 H și O?

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 H și O, ca un indicator pentru transferul electronilor.
În general:
  • Dacă o moleculă care conține carbon câștigă atomi de H sau pierde atomi de O 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 reacția de descompunere a glucozei:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
În glucoză, carbonul este asociat cu atomi de H, în timp ce în dioxidul de carbon, nu este asociat cu H. Deci, putem anticipa că glucoza este oxidată în această reacție. În mod asemănător, după reacție, atomii de O în O2 vor fi asociați cu mai mulți atomi de H decât înainte; așadar, putem anticipa că oxigenul va fi redus. (Sal confirmă acest lucru dintr-o perspectivă de transfer al electronilor în videoclipul despre reacțiile de redox în respirație.)
De ce funcționează această șmecherie? Iată cum putem gândi: urmărește filmul lui Sal despre oxidarea și reducerea în biologie:
  • Atomii de care H este de obicei legat în moleculele organice, cum ar fi C, O, N, și P, sunt mai electronegative decât H în sine. Deci, dacă un atom de H și electronul său se alătură unei molecule, șansele sunt ca orice ar fi legat de noul H să-și însușească electronul și să se reducă.
  • O 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 atașat, 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 lanț de transport electronic, într-o serie lungă de reacții redox?
Răspunsul de bază este: pentru a obține energie din acea moleculă de glucoză! Mai jos este reacția de descompunere a glucozei pe care am văzut-o la începutul articolului:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ΔG=686kcal/mol
Ceea ce putem rescrie un pic mai clar astfel:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energie!
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 C sau H) și la un nivel mai scăzut de energie, atunci când sunt asociați cu un atom mai electronegativ (cum ar fi O). Deci, într-o reacție precum descompunerea glucozei de mai sus, energia este eliberată pentru că electronii se mișcă 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 și 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 respirației celulare este de a capta această energie sub forma ATP.
O diagrama arată coborârea în trepte a electronilor pentru a crea ATP. Electronii sunt reprezentați de o imagine a soarelui cu un e și un simbol negativ în centru. Pașii sunt ilustrați ca 4 trepte. Primul electron este la dreapta treptelor și este etichetat Electroni extrași din glucoză. Există o săgeată mare care indică spre electronul de pe treapta de sus a imaginii cu trepte. De la acel electron există o săgeată mare care indică spre o imagine etichetată ATP. Există și o săgeată care indică dinspre electronul de pe treapta de sus în jos, înspre un electron de pe următoarea treapă inferioară. Săgeata este etichetată Reacții redox. De la electronul de pe acea treaptă există o săgeată mare indicând înspre o imagine etichetată ATP și o altă săgeată indicând în jos spre următoarea treaptă inferioară, înspre un alt electron. Acea săgeată este etichetată Reacții redox. De la acel electron, există o săgeată mare care indică înspre o imagine etichetată ATP și o altă săgeată care indică înspre un electron de pe treapta cea mai de jos. Electronul de pe cea mai de jos treaptă are o săgeată mare indicând de la electron spre o imagine etichetată ATP. Electronul de pe treapta cea mai de jos are de asemenea o săgeată care indică înspre un electron de la baza treptelor, iar lângă acel electron este o formulă chimică: electron plus oxigen plus 2 ioni de hidrogen produce apă.
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.