Respirația celulară (partea I): oxidarea și reducerea

Conversia energiei în interiorul unei celule implică multe căi chimice coordonate. Cele mai multe dintre aceste căi sunt combinații de reacții de oxidare și reducere. Oxidarea și reducerea apar în tandem. O reacție de oxidare scoate un electron dintr-un atom al unui compus, iar adăugarea acestui electron la un alt compus este o reacție de reducere. Deoarece oxidarea și reducerea apar de obicei împreună, aceste perechi de reacții sunt numite reacții de oxido-reducere sau reacții redox.

Electronii și energia

Îndepărtarea unui electron dintr-o moleculă, oxidând-o, are ca rezultat o scădere a energiei potențiale în acea moleculă oxidată. Cu toate acestea, electronul (uneori ca parte a unui atom de hidrogen) nu rămâne nelegat în citoplasma unei celule. Mai degrabă, electronul este mutat la un al doilea compus, reducându-l. Deplasarea unui electron de la un compus la altul elimină o parte de energie potențială din primul compus (compusul oxidat) și crește energia potențială a celui de-al doilea compus (compusul redus).

Transferul de electroni între molecule este important deoarece cea mai mare parte a energiei stocate în atomi și utilizate pentru alimentarea funcțiilor celulei este sub formă de electroni cu energie înaltă. Transferul de energie sub formă de electroni permite celulei să transfere și să utilizeze energia într-un mod incremental – în pachete mici, mai degrabă decât într-o singură explozie distructivă.

Transportori de electroni

În sistemele vii, o clasă mică de compuși funcționează ca transportori de electroni: ei leagă și transportă electroni de înaltă energie între compușii căilor metabolice. Principalii transportori de electroni pe care îi vom considera fac parte din grupul vitaminei B și sunt derivați ai nucleotidelor. Acești compuși pot fi ușor reduși (adică acceptă electroni) sau oxidați (pierd electroni).

Nicotinamid adenin dinucleotidul (NAD) este derivat din vitamina B3, (niacina). NAD⁺ este forma oxidată a moleculei, iar NADH este forma redusă a moleculei, după ce a acceptat doi electroni și un proton (care împreună sunt echivalentul unui atom de hidrogen cu un electron în plus) (Figura 1).

Figura 1 – Nicotinamid adenin nucleotidul (NAD): forma oxidată (în stânga) și forma redusă (în dreapta). Baza azotată din NADH are în plus un ion de hidrogen și doi electroni, comparativ cu NAD⁺.

În mod similar, flavin adenin dinucleotidul (FAD⁺) este derivată din vitamina B2, numită și riboflavină. Forma sa redusă este FADH₂. O a doua variantă a NAD, NADP, conține o grupare fosfat suplimentară. Atât NAD⁺ cât și FAD⁺ sunt utilizate pe scară largă în extracția energiei din zaharuri, iar NADP joacă un rol important în reacțiile anabolice și în fotosinteză.

ATP-ul în sistemele vii

O celulă vie nu poate depozita cantități semnificative de energie liberă. Excesul de energie liberă ar duce la o creștere a căldurii în celulă, ceea ce ar duce la o mișcare termică excesivă, care ar putea deteriora și apoi distruge celula. Mai degrabă, o celulă trebuie să fie capabilă să gestioneze acea energie într-un mod care să îi permită să stocheze energia în siguranță și să o elibereze pentru utilizare numai atunci când este necesar.

Celulele vii realizează acest lucru folosind compusul denumit adenozin trifosfat (ATP). ATP-ul este adesea numit „moneda energetică” a celulei și poate fi folosit pentru a satisface orice nevoie energetică a celulei. ATP-ul funcționează similar cu o baterie reîncărcabilă.

Atunci când ATP-ul este descompus, de obicei prin îndepărtarea grupării sale terminale de fosfat, energia este eliberată. Această energie este folosită apoi de către celulă, de obicei prin legarea fosfatului eliberat de o altă moleculă, activând-o. De exemplu, în activitatea mecanică a contracției musculare, ATP-ul furnizează energia pentru contracția proteinelor musculare. Să ne amintim activitatea de transport activ a pompei de sodiu-potasiu din membranele celulare. ATP-ul modifică structura proteinei integrate care funcționează ca pompă, schimbându-i afinitatea pentru sodiu și potasiu. În acest fel, celula efectuează activitatea de pompă, pompând ioni împotriva gradienților lor electrochimici.

Structura și funcțiile ATP-ului

În centrul ATP-ului se află o moleculă de adenozin monofosfat (AMP), care este compusă dintr-o moleculă de adenină legată de o moleculă de riboză și de o singură grupare fosfat (Figura 2). Adăugarea unei a doua grupări fosfat la această moleculă de bază are ca rezultat formarea adenozin difosfatului (ADP); adăugarea unei a treia grupări fosfat formează adenozin trifosfatul (ATP).

Figura 2 – ATP-ul (adenozin trifosfatul) are trei grupări fosfat care pot fi îndepărtate prin hidroliză pentru a forma ADP (adenozin difosfat) sau AMP (adenozin monofosfat).

Adăugarea unei grupări fosfat la o moleculă necesită energie. Grupările de fosfat sunt încărcate negativ și astfel se resping unele pe altele atunci când sunt aranjate în serie, așa cum sunt în ADP și ATP. Această repulsie face ca moleculele de ADP și ATP să fie inerent instabile. Eliberarea uneia sau a două grupări fosfat din ATP, un proces numit defosforilare, eliberează energie.

Energia din ATP

Hidroliza este procesul de desfacere a macromoleculelor complexe. În timpul hidrolizei, apa este scindată sau lizată, iar atomul de hidrogen rezultat (H⁺) și o grupare hidroxil (OH^–) sunt adăugate la molecula mai mare. Hidroliza ATP produce ADP, împreună cu un ion fosfat anorganic (P_i) și eliberarea de energie liberă.

Pentru desfășurarea proceselor vieții, ATP-ul este descompus continuu în ADP și, ca o baterie reîncărcabilă, ADP este regenerat continuu în ATP prin reatașarea unei a treia grupe fosfat. Apa, care a fost descompusă în atomul său de hidrogen și gruparea hidroxil în timpul hidrolizei ATP-ului, este regenerată atunci când un al treilea fosfat este adăugat la molecula de ADP, reformând ATP-ul.

Evident, în sistem trebuie introdusă pentru a regenera ATP. De unde vine această energie? În aproape fiecare ființă vie de pe pământ, energia provine din metabolismul glucozei. În acest fel, ATP-ul este o legătură directă între setul limitat de reacții exoterme ale catabolismului glucozei și multitudinea de reacții endoterme care alimentează celulele vii.

Fosforilarea

În unele reacții chimice, enzimele se pot lega de mai multe substraturi care reacționează între ele, formând un complex intermediar. Un complex intermediar este o structură temporară care permite unuia dintre substraturi (cum ar fi ATP-ul) și reactanților să reacționeze mai ușor unul cu celălalt; în reacțiile care implică ATP-ul, acesta este unul dintre substraturi și ADP-ul este un produs.

În timpul unei reacții chimice endoterme, ATP-ul formează un complex intermediar cu substratul și enzima din reacție. Acest complex intermediar permite ATP-ului să transfere a treia sa grupare fosfat, cu energia sa, către substrat, proces numit fosforilare. Fosforilarea se referă la adăugarea de fosfat (~P). Acest lucru este ilustrat de următoarea reacție generică:

A + enzimă + ATP → [A – enzimă – ~P] → B + enzimă + ADP + ion fosfat

Când complexul intermediar se rupe, energia este utilizată pentru a modifica substratul și a-l transforma într-un produs al reacției. Molecula de ADP și un ion fosfat liber sunt eliberate în mediu și sunt disponibile pentru reciclare prin metabolismul celular.

Fosforilarea la nivel de substrat

ATP-ul este generat prin două mecanisme în timpul descompunerii glucozei. Câteva molecule de ATP sunt regenerate din ADP ca rezultat direct al reacțiilor chimice care au loc în căile catabolice. O grupare fosfat este îndepărtată dintr-un reactant intermediar din calea metabolică, iar energia liberă a reacției este utilizată pentru a adăuga al treilea fosfat la o moleculă de ADP disponibilă, producând ATP (Figura 3). Această metodă foarte directă de fosforilare se numește fosforilare la nivel de substrat.

Figura 3 – Într-o reacție de fosforilare la nivel de substrat, o grupare fosfat este îndepărtată dintr-un reactant intermediar și este atașată la ADP, formând o moleculă de ATP.

Fosforilarea oxidativă

Totuși, majoritatea ATP-ului generat în timpul catabolismului glucozei este derivat dintr-un proces mult mai complex, chemiosmoza, care are loc în mitocondriile celulelor eucariote sau în membranele plasmatice ale celulelor procariote. Chemiosmoza, un proces de producere a ATP-ul în metabolismul celular, este folosită pentru a genera 90% din ATP-ul produs în timpul catabolismului glucozei și este, de asemenea, metoda folosită în reacțiile dependente de lumină ale fotosintezei pentru a valorifica energia luminii solare. Producerea de ATP prin procesul de chemiosmoză se numește fosforilare oxidativă, datorită implicării oxigenului în proces.