Procese Redox în Organismul Uman

1). Ce sunt reactiile redox ?

Reacţii de oxidare-reducere sau redox: reacţii prin care se combină substanţe chimice care atrag electroni (despre acestea se spune că sunt reduse) cu substanţe chimice care cedează uşor electroni (se spune despre aceste substanţe că oxidează). Un exemplu tipic: sodiul este oxidat de sulf:

Doi atomi de sodiu, fiecare având un unic electron de valentă slab atras de către nucleu, cedeaza electronul de pe stratul exterior pentru a completa stratul exterior al unui atom de sulf. Fiecare atom de sodiu este ulterior oxidat, rezultând ioni pozitivi Na+, în timp ce atomul de sulf este redus la un ion negativ S2-. Aceşti ioni cu sarcini electrice opuse se combină, rezultând o molecula de sulfat de sodiu.

2). Reactii redox in bioenergetica:

Mecanismele de transfer ale energiei in celulele sunt componente ale cailor metabolice ale celulelor ce pot fi impartite in anabolice sau sinteza si catabolice sau de descompunere. Reactiile anabolice implica o crestere in structura biologica, iar cea de-a doua lege a termodinamicii are o crestere in entropia sistemului, este nevoie de energie. In contrast, reactiile catabolice implica o crestere a entropiei si o eliberare de energie.

Prin urmare este posibila directa legare a reactiilor anabolice si catabolice in organism. Atata timp cat energia eliberata prin catabolism este mai mare ca cea consumata prin anabolism, cea de-a doua lege este indeplinita. Dar in majoritatea reactiilor biologice cele doua aspecte (anabolismul si catabolismul) nu sunt legate direct si in loc de energie multa este utilizata cea intermediara. Deci caile catabiloce genereaza metaboliti (amino-acizi, acizi grasi-glucoza-zahar) si energii mari intermediare ce sunt cu totii folositi in anabolism. Energia compusilor fosfati si energia transferului electronilor sunt doua forme de mare energie intermediara generata de reactiile catabolice.

O forma de energie intermediara puternica comuna in metabolism este potentialul de transfer al electronilor sau potentialul de reducere al compusilor. Potentialul de reducere este reprezentat cu E0 ; potential de transfer al electronilor este o masura a afinitatii compusilor pentru electroni. Un potential de reducere negativ inseamna o mai mica afinitate a compusului pentru electroni si acestia sunt transferati de la compusii cu afinitate mica la cei cu afinitate mai pronuntata.

Sunt mai multi termeni importanti ce vor fi frecvent folositi pentru a ne referi la transferul de electroni. Un compus organic reduc sau reducator are electroni (i) liberi pentru transfer, deci poate fi considerat un agent reducator. Un agent organic oxidat sau oxidant poate accepta electroni (i), deci este un agent oxidant.

Oxidarea se refera la cedarea de electroni: Fe(2+) Fe(3+) +e- reducerea se refera la acceptarea de electroni: Fe(3+) +e- Fe(2+).

Dupa definitie numai un compus redus poate fi oxidat si numai unul oxidat poate fi redus. In reactiile biologice nu exista surse sau scaderi electronice; prin urmare cand un compus este redus, altul trebuie sa fie oxidat. Reactiile ce implica transfer de electroni in perechi sunt reactii redox.

Prin definitie, reactia de reducere a 2H(+) + 2e-  H2 la 1 M si 25 C are potentialul standard E = 0mV. Din acest motiv electrodul de H2 este folosit pentru a masura potentialele diferitelor celule galvanice.

Electroni pot sa circule intre cele doua celule galvanice prin intermediul puntii de sare (K,NaNO3, etc.) si daca proba A are o mica afinitate pentru e decat H2, e vor circula de la proba de referinta, iar un voltmetru va indica potentialul de reducere a probei A ca fiind negativ (E0<0 mV). Invers, daca proba A are o mai mare afinitate pentru e decat H, e vor circula de la H2 de referinta la proba, iar in acest caz E0>0mV. Asadar un potential standard redox pozitiv inseamna o mai mare afinitate pentru e ce trebuie sa circule de la afinitate mica la una mare ceea ce reprezinta o crestere a entropiei.

Intr-o pereche redox transferul de electroni are loc de la un reducator cu afinitate mica pentr e- la un oxidant cu o afinitate mai mare. Diferenta de energie este eliberata si disponibila spre a fi folosita. Energia libera a unui sistem redox se calculeaza prin Δb=nFΔE

Nota ΔE este diferenta in potentialul de reducere al reactiei de oxidare din reactia de reduce, n este nr. de e- transferati si F este constanta lui Faraday(23,06 kcal/v-mol). De exemplu cand NADH este oxidat intr-un cuplu redox cu reducerea pana la lactate.

Similar cu orice alta reactie chimica, valoarea G a unei celule depinde de concentratia relativa a produsilor si reactantilor.

Depinzand de moleculele organice, transferul de e- poate sa nu fie insotit si de transfer de p+. O reactie oxidanta insotita de inlaturarea p+ este catalizata de enzime numite dehidrogenoase.

Cele mai intalnite coenzime in celule sunt NAD+ si FAD. NAD+ exista in celule intr-o stare fosforica ca NADP+ ce este similara cu potentialul de reducere. Totusi, cele doua transferuri de e- ale compusilor sunt recunoscute de enzime diferite, ele fiind folosite pentru cai metabolice diferite. In general NAD este folosit in reactii catabolice, pe cand NADP+ este folosit in rectii anabolice.

Transformarea NAD+ in NADH: NAD++ 2e-+H- →NADH

Notatii:

NADH=nicotinamide ademine dinucleotide

ATP=adenozine trifosfate

3). Respiratia celulara:

1. INTRODUCERE

Respiraţia celulară este un proces prin care celulele produc energia necesară pentru a supravieţui. În respiraţia celulară, celulele folosesc oxigen pentru a descompune glucoza si pentru a îi reţine energia în molecule de adenozintrifosfat(ATP).Respiraţia celulară este esenţială pentru supravieţuirea celor mai multe organisme întrucât energia conţinută în glucoză nu poate fi folosită în celule fără a fi stocată în ATP.

Cele două componente esenţiale ale respiraţiei sunt oxigenul şi glucoza Animalele obţin glucoză mâncând plante.

Respiraţia celulară transferă cam 40% din energia glucozei în ATP. Restul energiei din glucoză este eliberat sub formă de căldură, pe care omul o foloseşte pentru a-şi menţine temperatura corporală. Respiraţia celulară este uimitor de eficientă comparată cu alte procese de conversie a energiei, ca arderea benzinei, la care doar 25% din energie este utilizată.

2. CUM FUNCŢIONEAZĂ RESPIRAŢIA CELULARĂ

Procesul respiraţiei celulare apare în patru stadii: glicoliză; stadiul de tranziţie; ciclul Krebs; şi lanţul de transport al electronilor.

Glicoliza În organismul animalelor se produce un proces asemănător fermentaţiilor monohazaridelor, şi anume fermentaţia monozaharidelor până la acid lactic. Acest proces este cunoscut sub numele, de glicoliza. Spre deosebire de fermentaţia alcoolică, la care punctul de plecare este glucoza, în cazul glicolizei, glicogenul, o polizaharidă conţinută în muşchiul animal, este transformat în eteri fosforici printr-o reacţie de tipul:

glicogen + H3 PO4 fosfat de glucoză

Transformarea glicogenului în acid lactic este un proces exoterm; el dă energia necesară producerii travaliului muscular. Procesul este reversibil: o parte din acidul lactic sintetizează din nou glicogenul, proces care este endoterm. Reformarea glicogenului se face în muşchi, dar mai ales în ficat, unde acidul lactic este adus de sânge.

În glicoliză, glucoza este descompusă cu ajutorul enzimelor şi altor molecule ce se află în citoplasmă. Enzimele unesc două grupuri fosfat la glucoză pentru a-I mări reactivitatea. Un grup fosfat are formula P04. O altă enzimă împarte glucoza în două pentru a forma două grupuri de trei atomi de carbon, fiecare cu câte o moleculă de fosfat.

În următorul pas, o enzimă îndepărtează un atom de hidrogen şi doi electronidin fiecare moleculă. Atomii sunt transformaţi în ioni de hidrogen. Un ion şi doi electroni sunt transferaţi la nicotinamid adenin dinucleotid (NAD+) pentru a forma două molecule de NADH.

În fazele finale ale glicolizei, doi atomi de hidrogen sunt înlăturaţi din fiecare grup cu trei atomi de carbon şi se leagă de atomii de Oxigen liber din citoplasmă, rezultând apă. La următorul pas al respiraţie celulare, sub acţiunea unei enzime, grupul PO4 este eliberat din grupul cu 3 atomi de carbon şi se combină cu o moleculă de ADP. Aşadar ADP este compus din grupul din 3 atomi de carbon şi restul a două grupuri fosfat. Prin adăugarea unui al treilea grup fosfat se obţine ATP. Aici se obţin două molecule ATP. În momentul în care consumul de energie al moleculei creşte, o altă enzimă înlătură al treilea grup fosfat, eliberând energie ce alimentează celula. Simultan ATP devine ADP care poate fi folosit din nou în respiraţia celulară pentru a produce mai mult ATP.