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Dioxígeno en reacciones biológicas

Dioxígeno ( O 2 ) desempeña un papel importante en el metabolismo de los organismos vivos. El oxígeno libre se produce en la biosfera mediante la fotólisis (oxidación y división...

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Dioxígeno ( O2 ) desempeña un papel importante en elmetabolismode los organismos vivos. El oxígeno libre se produce en labiosferamediantela fotólisis(oxidación y división del agua impulsadas por la luz) durantela fotosíntesisencianobacterias,algas verdesy plantas. Durantela fosforilación oxidativaenla respiración aeróbica, el oxígeno se reduce a agua, cerrando así elredox.

Fotosíntesis

En la naturaleza, el oxígeno libre se produce mediante la división del agua impulsada por la luz durante la fotosíntesis oxigénica. Las cianobacterias comenzaron a transformar la Tierra anaeróbica en el mundo rico en oxígeno que conocemos hoy. [ 1 ] Los ambientes marinos proporcionan la mayor parte de la producción de oxígeno en la Tierra. [ 2 ] El resto lo producen las plantas terrestres, aunque, por ejemplo, casi todo el oxígeno producido en los bosques tropicales es consumido por los organismos que viven allí. [ 3 ]

Una fórmula general simplificada para la fotosíntesis es: [ 4 ]

6 CO2 + 6H2 O+fotones→C6 H12 O6 + 6O2

(o simplemente dióxido de carbono + agua + luz solar → glucosa + oxígeno)

La evolución fotolítica del oxígeno durante la fotosíntesis se produce mediante la oxidación del agua a oxígeno molecular , dependiente de la luz , y puede escribirse como la siguiente reacción química simplificada: 2H₂O → 4e⁻ + 4H⁺ + O₂

La reacción ocurre en las membranas tilacoides de las cianobacterias, así como en los cloroplastos de algas y plantas , y requiere la energía de cuatro fotones . Los electrones extraídos de las moléculas de agua se transfieren al estado de alta energía deficiente en electrones P680 + del pigmento P680 del Fotosistema II , que ha sido incorporado a una cadena de transporte de electrones después de la excitación dependiente de la luz y una serie de reacciones redox sobre la plastoquinona . [ 5 ] Por lo tanto, el Fotosistema II también se ha denominado oxidorreductasa de agua-plastoquinona. [ 6 ] Los protones separados de las moléculas de agua se liberan en el lumen del tilacoide , contribuyendo así a la generación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide. Este gradiente de protones es la fuerza impulsora para la síntesis de ATP mediante fotofosforilación y acopla la absorción de energía lumínica y la fotólisis del agua a la creación de energía química durante la fotosíntesis. [ 5 ] El O 2 restante después de la oxidación de la molécula de agua se libera a la atmósfera.

La oxidación del agua es catalizada por un complejo enzimático que contiene manganeso, conocido como complejo de liberación de oxígeno (OEC) o complejo de división del agua, que se encuentra asociado al lado luminal de las membranas tilacoides. El manganeso es un cofactor importante , y el calcio y el cloruro también son necesarios para que se produzca la reacción. [ 5 ]

Captación y transporte de oxígeno

En todos los vertebrados, el grupo hemo de la hemoglobina se une a la mayor parte del oxígeno disuelto en la sangre.

En los vertebrados , la captación de oxígeno se lleva a cabo mediante los siguientes procesos:

Después de la inhalación en los pulmones, el oxígeno se difunde a través de los alvéolos hacia el suero de la sangre, donde una parte permanece en relación directa con la presión parcial de los gases en el gas inhalado y el resto se une a los glóbulos rojos . Se unen a complejos de dioxígeno , que son compuestos de coordinación que contienen O₂ como ligando , [ 7 ] proporcionando una mayor capacidad de carga de oxígeno. En la sangre, el grupo hemo de la hemoglobina se une al oxígeno cuando está presente, cambiando el color de la hemoglobina de rojo azulado a rojo brillante. [ 8 ] [ 9 ] Los animales vertebrados usan la hemoglobina en su sangre para transportar oxígeno desde sus pulmones a sus tejidos, pero otros animales usan hemocianina ( moluscos y algunos artrópodos ) o hemeritrina (arañas y langostas ). [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Un litro de sangre puede disolver 200  cc de gas oxígeno, que es mucho más de lo que puede disolver el agua. [ 10 ]

Tras ser transportado por la sangre a un tejido corporal que necesita oxígeno, el O₂ se transfiere del grupo hemo a la monooxigenasa , una enzima que también posee un sitio activo con un átomo de hierro. [ 10 ] La monooxigenasa utiliza oxígeno para numerosas reacciones de oxidación en el organismo. El oxígeno suspendido en el plasma sanguíneo se equilibra en los tejidos según la ley de Henry . El dióxido de carbono, un producto de desecho, se libera de las células a la sangre, donde se convierte en bicarbonato o se une a la hemoglobina para su transporte a los pulmones. La sangre regresa a los pulmones y el proceso se repite. [ 13 ]

respiración aeróbica

El oxígeno molecular, O₂ , es esencial para la respiración celular en todos los organismos aerobios . El oxígeno se utiliza como aceptor de electrones en las mitocondrias para generar energía química en forma de adenosín trifosfato (ATP) durante la fosforilación oxidativa . La reacción de la respiración aerobia es esencialmente la inversa de la fotosíntesis, con la diferencia de que ahora se libera una gran cantidad de energía química que se almacena en moléculas de ATP (se forman hasta 38 moléculas de ATP a partir de una molécula de glucosa y 6 moléculas de O₂ ) . La versión simplificada de esta reacción es:

do6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O+ 2880 kJ/mol

Especies reactivas de oxígeno

Las especies reactivas de oxígeno son moléculas que contienen al menos un átomo de oxígeno y uno o más electrones desapareados. Las especies reactivas de oxígeno (ERO) son subproductos de la respiración celular aeróbica. Algunos ejemplos importantes incluyen: radicales libres de oxígeno como el radical hidroxilo (HO·), el radical anión superóxido (O2-), el peróxido de hidrógeno ( H2O2 ) , el radical hidroperoxilo , el óxido nítrico (NO) y el oxígeno singlete . [ 14 ] [ 10 ] El cuerpo utiliza la superóxido dismutasa para reducir los radicales superóxido a peróxido de hidrógeno. La glutatión peroxidasa y enzimas similares convierten el H2O2 en agua y dioxígeno. [ 10 ]

Sin embargo, algunas partes del sistema inmunitario de los organismos superiores crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir los microbios invasores. Recientemente, se ha descubierto que el oxígeno singlete es una fuente de ozono producido biológicamente : esta reacción se produce a través de un compuesto inusual , el trióxido de dihidrógeno , también conocido como trioxidano (HOOOH), que es un producto catalizado por anticuerpos del oxígeno singlete y el agua. Este compuesto, a su vez, se desproporciona en ozono y peróxido, proporcionando dos potentes antibacterianos. El amplio espectro de defensa del cuerpo contra todos estos agentes oxidantes activos no es sorprendente, entonces, dado su empleo "deliberado" como agentes antimicrobianos en la respuesta inmunitaria. [ 15 ] Las especies reactivas de oxígeno también desempeñan un papel importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra el ataque de patógenos. [ 5 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Bronstein, Judith (30 de julio de 2015). Mutualismo . OUP Oxford.
  2. ↑ Morsink, Kalila. "Con cada respiración que das, agradece al océano | Smithsonian Ocean" . ocean.si.edu . Consultado el 5 de julio de 2025 .
  3. ↑ Broeker, WS (2006). "Respirando con facilidad, Et tu, O2" . Universidad de Columbia . Recuperado el 21 de octubre de 2007 .
  4. ↑ Brown, LeMay, Burslen, Química: La ciencia central , ISBN 0-13-048450-4pág. 958
  5. 1 2 3 4 Raven, Peter H.; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2005). Biología de las plantas, 7.ª edición . Nueva York: WH Freeman and Company Publishers. págs. 115–127 . ISBN  0-7167-1007-2.
  6. ↑ Raval M, Biswal B, Biswal U (2005). "El misterio de la evolución del oxígeno: análisis de la estructura y función del fotosistema II, la oxidorreductasa de agua-plastoquinona". Photosynthesis Research . 85 (3): 267– 93. Bibcode : 2005PhoRe..85..267R . doi : 10.1007/s11120-005-8163-4 . PMID 16170631 . S2CID 12893308 .  
  7. ↑ Holleman, AF; Wiberg, E. "Química Inorgánica" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  8. ↑ El CO 2 se libera de otra parte de la molécula de hemoglobina, como su ácido, lo que provoca que el CO 2 se libere del bicarbonato, su principal reservorio en el plasma sanguíneo (ver efecto Bohr ).
  9. ↑ Stwertka 1998 , pág. 48.
  10. 1 2 3 4 5 Emsley 2001 , pág. 298.
  11. ↑ Cook y Lauer 1968 , pág. 500.
  12. ↑ Las cifras proporcionadas corresponden a valores hasta 50 millas sobre la superficie.
  13. ↑ Emsley 2001 , pág. 303.
  14. ↑ Zhang, Baoyi; et al. (diciembre de 2022). "Función de las especies reactivas de oxígeno mitocondriales en la regulación de la homeostasis" . Redox Report: Communications in Free Radical Research . 27 (1): 45– 52. doi : 10.1080/13510002.2022.2046423 . PMC 8890532. PMID 35213291 .   
  15. ↑ Hoffmann, Roald (2004). "La historia de O" . American Scientist . 92 (1): 23. doi : 10.1511/2004.1.23 . Archivado del original el 22 de febrero de 2007. Consultado el 3 de marzo de 2007 .
  • Emsley, John (2001). «Oxygen» . Nature's Building Blocks: An AZ Guide to the Elements . Oxford, Inglaterra, Reino Unido: Oxford University Press. pp. 297–304 . ISBN  0-19-850340-7.
  • Cook, Gerhard A.; Lauer, Carol M. (1968). "Oxygen". En Clifford A. Hampel (ed.). The Encyclopedia of the Chemical Elements . Nueva York: Reinhold Book Corporation. pp. 499–512 . LCCN 68-29938 .  
  • Stwertka, Albert (1998). Guía de los elementos (  Edición revisada). Oxford University Press. ISBN 0-19-508083-1.