Oxigênio em reações biológicas - Dioxygen in biological reactions

Mais informações: História geológica do oxigênio

Oxigênio ( O
2 ) desempenha um papel importante no metabolismo energético dos organismos vivos. O oxigênio livre é produzido na biosfera por meio da fotólise (oxidação e divisão pela luz) da água durante a fotossíntese em cianobactérias , algas verdes e plantas . Durante a fosforilação oxidativa na respiração celular , a energia química do oxigênio é liberada conforme é reduzida a água, fechando assim o ciclo redox biológico água-oxigênio .

Fotossíntese

Na natureza, o oxigênio livre é produzido pela divisão da água provocada pela luz durante a fotossíntese oxigenada. As algas verdes e cianobactérias em ambientes marinhos fornecem cerca de 70% do oxigênio livre produzido na Terra. O restante é produzido por plantas terrestres, embora, por exemplo, quase todo o oxigênio produzido nas florestas tropicais seja consumido por organismos que vivem ali.

Uma fórmula geral simplificada para fotossíntese é:

6 CO
2 + 6 H
2 O + fótons → C
6 H
12 O
6 + 6 O
2

(ou simplesmente dióxido de carbono + água + luz solar → glicose + oxigênio)

A evolução do oxigênio fotolítico durante a fotossíntese ocorre através da oxidação dependente da luz da água em oxigênio molecular e pode ser escrita como a seguinte reação química simplificada: 2H 2 O → 4e - + 4H + + O 2

A reação ocorre nas membranas tilacóides de cianobactérias e cloroplastos de algas e plantas e requer a energia de quatro fótons . Os elétrons das moléculas de água oxidadas substituem os elétrons no componente P 680 do fotossistema II , que foram removidos para uma cadeia de transporte de elétrons por meio de excitação dependente da luz e transferência de energia de ressonância para a plastoquinona . O fotossistema II, portanto, também foi referido como água-plastoquinona óxido-redutase. Os prótons das moléculas de água oxidadas são liberados no lúmen do tilacóide , contribuindo assim para a geração de um gradiente de prótons através da membrana do tilacóide. Este gradiente de prótons é a força motriz para a síntese de ATP via fotofosforilação e acoplando a absorção de energia luminosa e fotólise de água para a criação de energia química durante a fotossíntese. O O 2 remanescente após a oxidação da molécula de água é liberado na atmosfera.

A oxidação da água é catalisada por um complexo enzimático contendo manganês conhecido como complexo evolutivo de oxigênio (OEC) ou complexo divisor de água, encontrado associado ao lado luminal das membranas tilacóides. O manganês é um cofator importante , e o cálcio e o cloreto também são necessários para que a reação ocorra.

Consumo e transporte de oxigênio

Em todos os vertebrados, o grupo heme da hemoglobina liga a maior parte do oxigênio dissolvido no sangue.

Em vertebrados , a absorção de oxigênio é realizada pelos seguintes processos:

O oxigênio se difunde através das membranas e nas células vermelhas do sangue após a inalação para os pulmões. Eles estão ligados a complexos de dioxigênio , que são compostos de coordenação que contêm O 2 como um ligante , fornecendo uma capacidade de carregamento de oxigênio mais eficiente. No sangue, o grupo heme da hemoglobina liga o oxigênio quando está presente, mudando a cor da hemoglobina de vermelho azulado para vermelho brilhante. Animais vertebrados usam hemoglobina em seu sangue para transportar oxigênio de seus pulmões para seus tecidos, mas outros animais usam hemocianina ( moluscos e alguns artrópodes ) ou hemeritrina ( aranhas e lagostas ). Um litro de sangue pode dissolver 200 cc de gás oxigênio, que é muito mais do que a água pode dissolver.

Depois de ser transportado pelo sangue para um tecido corporal que precisa de oxigênio, o O 2 é transferido do grupo heme para a monooxigenase , uma enzima que também tem um sítio ativo com um átomo de ferro. A monooxigenase usa oxigênio para fornecer energia química para muitas reações de oxidação no corpo. O dióxido de carbono, um produto residual, é liberado das células e vai para o sangue, onde é convertido em bicarbonato ou se liga à hemoglobina para transporte aos pulmões. O sangue circula de volta para os pulmões e o processo se repete.

Respiração aeróbica

Veja também: respiração aeróbica

O oxigênio molecular, O 2 , é essencial para a respiração celular em todos os organismos aeróbios , fornecendo a maior parte da energia química liberada. O oxigênio é usado como aceptor de elétrons na mitocôndria para gerar energia química na forma de trifosfato de adenosina (ATP) durante a fosforilação oxidativa . A reação para a respiração aeróbia é essencialmente o reverso da fotossíntese, exceto que agora há uma grande liberação da energia química do O 2 , que é armazenada nas moléculas de ATP (até 38 moléculas de ATP são formadas de uma molécula de glicose ). A versão simplificada dessa reação é:

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

Espécies que reagem ao oxigênio

Artigo principal: espécies reativas de oxigênio

As espécies reativas de oxigênio são subprodutos perigosos que às vezes resultam do uso de oxigênio em organismos. Exemplos importantes incluem; radicais livres de oxigênio , como o altamente perigoso superóxido O 2 - e o menos prejudicial peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ). O corpo usa superóxido dismutase para reduzir os radicais superóxido a peróxido de hidrogênio. A glutationa peroxidase e enzimas semelhantes então convertem o H 2 O 2 em água e dioxigênio.

Partes do sistema imunológico de organismos superiores, entretanto, criam peróxido, superóxido e oxigênio singlete para destruir os micróbios invasores. Recentemente, descobriu-se que o oxigênio singlete é uma fonte de ozônio produzido biologicamente : essa reação ocorre por meio de um composto incomum dihidrogênio trióxido , também conhecido como trioxidano , (HOOOH), que é um produto catalisado por anticorpos de oxigênio singlete e água. Esse composto, por sua vez, é desproporcional ao ozônio e ao peróxido, fornecendo dois poderosos antibacterianos. A gama de defesa do corpo contra todos esses agentes oxidantes ativos dificilmente é surpreendente, dado seu emprego "deliberado" como agentes antimicrobianos na resposta imunológica. As espécies reativas de oxigênio também desempenham um papel importante na resposta de hipersensibilidade das plantas ao ataque de patógenos.

Veja também

Referências