Dioxygen v biologických reakcích - Dioxygen in biological reactions - Wikipedia

Další informace: Geologická historie kyslíku

Dioxygen (Ó
2) hraje v energii důležitou roli metabolismus živých organismů. Volný kyslík je produkován v biosféře skrz fotolýza (oxidace a štěpení) vody během fotosyntéza v sinice, zelené řasy, a rostliny. V době oxidační fosforylace v buněčné dýchání, chemická energie kyslíku [1] se uvolňuje, protože se redukuje na vodu, čímž uzavírá biologickou vodu a kyslík redox cyklus.

Fotosyntéza

V přírodě je volný kyslík produkován světlem štěpení vody během kyslíkové fotosyntézy. Zelené řasy a sinice v mořském prostředí poskytují asi 70% volného kyslíku produkovaného na Zemi.[2][potřebujete nabídku k ověření ] Zbytek produkují suchozemské rostliny, ačkoli například téměř veškerý kyslík produkovaný v tropických lesích je spotřebován organizmy, které tam žijí.[3]

Zjednodušený celkový vzorec pro fotosyntézu je:[4]

6CO
2 + 6H
2Ó + fotony → C
6H
12Ó
6 + 6Ó
2

(nebo jednoduše oxid uhličitý + voda + sluneční světlo → glukóza + kyslík)

Fotolytický vývoj kyslíku během fotosyntézy dochází prostřednictvím světlo závislé oxidace vody na molekulární kyslík a lze ji zapsat jako následující zjednodušenou chemickou reakci: 2H2O → 4e− + 4H+ + O.2

K reakci dochází v tylakoidní membrány sinic a řas a rostlin chloroplasty a vyžaduje energii čtyř fotony. Elektrony z oxidovaných molekul vody nahrazují elektrony v P680 součást fotosystém II, které byly odstraněny do elektronový transportní řetězec podle světla buzení a přenos rezonanční energie na plastochinon.[5] Photosytem II se proto také označuje jako voda-plastochinon oxido-reduktáza.[6]Protony z molekul oxidované vody se uvolňují do tylakoidní lumen, čímž přispívá ke generování protonového gradientu přes tylakoidní membránu. Tento protonový gradient je hnací silou ATP syntéza prostřednictvím fotofosforylace a spojení absorpce světelné energie a fotolýzy vody s vytvářením chemické energie během fotosyntézy.[5] O2 zbývající po oxidaci molekuly vody se uvolní do atmosféry.

Oxidace vody je katalyzována a mangan -obsahující enzym komplex známý jako komplex vyvíjející kyslík (OEC) nebo komplex štěpící vodu nalezený v souvislosti s lumenální stranou tylakoidních membrán. Mangan je důležitý kofaktor, a vápník a chlorid jsou také potřebné pro reakci.[5]

Příjem a transport kyslíku

U všech obratlovců váže hemová skupina hemoglobinu většinu kyslíku rozpuštěného v krvi.

v obratlovců, absorpce kyslíku se provádí následujícími procesy:

Kyslík šíří přes membrány a do červené krvinky po vdechnutí do plic. Jsou povinni dioxygenové komplexy, což jsou koordinační sloučeniny které obsahují O2 jako ligand,[7] poskytující efektivnější kapacitu pro plnění kyslíkem. V krvi heme skupina z hemoglobin váže kyslík, pokud je přítomen, a mění barvu hemoglobinu z modročervené na jasně červenou.[8][9] Obratlovců zvířata používají hemoglobin v jejich krev transportovat kyslík z jejich plíce do jejich tkání, ale používají jiná zvířata hemocyanin (měkkýši a nějaký členovci ) nebo hemerythrin (pavouci a humři ).[10][11][12] Litr krve může rozpustit 200 ml plynného kyslíku, což je mnohem více, než voda.[10]

Poté, co byl v krvi přenesen do tělesné tkáně, která potřebuje kyslík, O2 je předáván ze skupiny hemu uživateli monooxygenáza, enzym, který má také aktivní místo s atomem železa.[10] Monooxygenáza využívá kyslík k zajištění chemické energie pro mnoho lidí oxidace reakce v těle. Oxid uhličitý, odpadní produkt, se uvolňuje z buněk a do krve, kde se přeměňuje na hydrogenuhličitan nebo váže se na hemoglobin pro transport do plic. Krev cirkuluje zpět do plic a proces se opakuje.[13]

Aerobní dýchání

Viz také: Aerobní dýchání

Molekulární kyslík, O.2, je nezbytné pro buněčné dýchání celkově aerobní organismy, poskytující většinu uvolněné chemické energie.[1] Kyslík se používá jako akceptor elektronů v mitochondrie generovat chemickou energii ve formě adenosintrifosfát (ATP) během oxidační fosforylace. Reakce na aerobní dýchání je v podstatě opačná než fotosyntéza, kromě toho, že nyní dochází k velkému uvolňování chemické energie O2, který je uložen v ATP molekuly (až 38 molekul ATP se tvoří z jedné molekuly glukóza ). Zjednodušená verze této reakce je:

C
6H
12Ó
6 + 6Ó
2 → 6CO
2 + 6H
2Ó + 2880 kJ / mol

Reaktivní formy kyslíku

Hlavní článek: Reaktivní formy kyslíku

Reaktivní formy kyslíku jsou nebezpečné vedlejší produkty, které někdy vznikají při použití kyslíku v organismech. Mezi důležité příklady patří; kyslík volné radikály například vysoce nebezpečný superoxid Ó2−a méně škodlivé peroxid vodíku (H2Ó2).[10] Tělo používá superoxiddismutáza redukovat superoxidové radikály na peroxid vodíku. Glutathionperoxidáza a podobné enzymy pak převádějí H2Ó2 na voda a dioxygen.[10]

Části imunitní systém vyšších organismů však vytváří peroxid, superoxid a singletový kyslík, aby zničily napadající mikroby. Nedávno bylo zjištěno, že singletový kyslík je zdrojem biologicky vyráběného ozón: Tato reakce probíhá neobvyklou sloučeninou oxid vodný, také známý jako trioxidan, (HOOOH), což je produkt katalyzovaný protilátkami singletového kyslíku a vody. Tato sloučenina je zase nepřiměřená vůči ozónu a peroxidu a poskytuje dvě silné antibakteriální látky. Rozsah obrany těla proti všem těmto aktivním oxidačním činidlům je tedy stěží překvapivý, vzhledem k jejich „záměrnému“ použití jako antimikrobiálních činidel v imunitní odpovědi.[14] Reaktivní druhy kyslíku také hrají důležitou roli v hypersenzitivní reakce rostlin proti napadení patogeny.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Schmidt-Rohr, K. (2020). „Kyslík je vysokoenergetická molekula pohánějící složitý mnohobuněčný život: základní opravy tradiční bioenergetiky“ ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  2. ^ Fenical, William (září 1983). „Mořské rostliny: jedinečný a neprozkoumaný zdroj“. Rostliny: potenciál pro extrakci bílkovin, léků a dalších užitečných chemikálií (sborník). Nakladatelství DIANE. p. 147. ISBN  1-4289-2397-7.
  3. ^ Broeker, W.S. (2006). „Snadné dýchání, Et tu, O2“. Columbia University. Citováno 2007-10-21.
  4. ^ Brown, LeMay, Burslen, Chemie Ústřední věda, ISBN  0-13-048450-4, str. 958
  5. ^ A b C d Raven, Peter H .; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2005). Biology of Plants, 7. vydání. New York: W.H. Freeman and Company Publishers. str. 115–127. ISBN  0-7167-1007-2.
  6. ^ Raval M, Biswal B, Biswal U (2005). „Tajemství vývoje kyslíku: analýza struktury a funkce fotosystému II, voda-plastochinon oxido-reduktázy“. Fotosyntetický výzkum. 85 (3): 267–93. doi:10.1007 / s11120-005-8163-4. PMID  16170631.
  7. ^ Holleman, A. F .; Wiberg, E. "Anorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN  0-12-352651-5.
  8. ^ CO2 se uvolňuje z jiné části molekuly hemoglobinu jako jeho kyselina, která způsobuje CO2 být uvolňován z bikarbonátu, jeho hlavního rezervoáru v krevní plazmě (viz Bohrův efekt )
  9. ^ Stwertka 1998, str. 48.
  10. ^ A b C d E Emsley 2001, str. 298.
  11. ^ Cook & Lauer 1968, str. 500.
  12. ^ Uvedené údaje platí pro hodnoty do 50 mil nad povrchem
  13. ^ Emsley 2001, str. 303.
  14. ^ Hoffmann, Roald (2004). "Příběh O". Americký vědec. 92 (1): 23. doi:10.1511/2004.1.23. Archivovány od originál dne 22.02.2007. Citováno 2007-03-03.