Ossidazioni biologiche: ossidoreduttasi, energia

Le ossidazioni biologiche che avvengono negli organismi viventi coinvolgono spesso processi a più stadi e producono energia.
Tali reazioni avvengono con:
1) Addizione di ossigeno (poco comune)
2) Rimozione di idrogeno (comune)
3) Rimozione di elettroni (molto comune)

Le ossidazioni biologiche sono la combinazione di trasformazioni di ossido-riduzione delle sostanze negli organismi viventi. Il chimico francese Antoine Lavoisier, il quale notò una somiglianza tra i processi di combustione e di ossidazione biologica.

Nonostante gli scarsi mezzi lo scienziato tracciò il percorso dell’ossigeno, che viene assorbito dall’organismo vivente nel processo di respirazione, e concluse che nell’organismo ha luogo un processo di ossidazione simile al processo di combustione, ma a un ritmo più lento.

Lavoisier  scoprì che le molecole di ossigeno, che è un ossidante, interagiscono con i composti organici (contenenti carbonio e idrogeno), a seguito dei quali avviene la loro trasformazione e i composti si decompongono.

La perdita di elettroni avviene in una semireazione di ossidazione che deve essere accompagnata da una semireazione di riduzione in cui una specie acquista elettroni: la reazione complessiva di ossidoriduzione avviene ad opera di particolari enzimi detti ossidoreduttasi che catalizzano il trasferimento di elettroni da una molecola detta riducente o donatrice di elettroni a un’altra detta ossidante o accettore di idrogeno o di elettroni.

Classificazione delle ossidoreduttasi

Le ossidoreduttasi si dividono in :

1)      Ossidasi   che catalizzano il trasferimento di due elettroni da un donatore direttamente all’ossigeno

2)      Ossigenasi  che catalizzano l’incorporazione di ossigeno all’interno di una molecola accettrice

3)      Perossidasi che utilizzano come agente ossidante l’acqua ossigenata

Nel XVIII  secolo  Lavoisier fu il primo a studiare l’ossidazione negli organismi  e ricerche successive hanno portato alla:

  • localizzazione delle ossidazioni biologiche  all’interno della cellula vivente
  • determinazione del rapporto tra ossidazione biologica e di altri processi metabolici
  • spiegazione dei meccanismi di reazione di ossidoriduzione enzimatici e alla scoperta di come è convertita l’energia.

Ossidazioni biologiche e energia

La maggior parte dell’energia che viene liberata dalle ossidazioni biologiche  è immagazzinata in composti ad alta energia come, ad esempio l’ATP;  l’ossidazione biologica, che porta  alla sintesi dell’ ATP a partire dall’ADP e fosfato inorganico, avviene nella glicolisi.

ossidazioni biologiche
ossidazioni biologiche

Durante la respirazione i carboidrati, i lipidi e le proteine vengono ossidati in un processo a più stadi noto come ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici.

Le ossidazioni biologiche procedono raramente in maniera diretta e generalmente comportano complessi meccanismi in cui sono coinvolti numerosi enzimi.

Durante alcune reazioni di ossidazione biologica vi è un trasferimento simultaneo di ioni idrogeno ed elettroni:

AH2 + B → [A + 2 H+ + 2 e + B] → A + BH2

In altri casi, gli ioni idrogeno possono essere persi dalla sostanza ossidata durante il trasferimento solo degli elettroni alla sostanza ridotta:

AH2 + B → [A  + 2 H+ + 2 e + B] → A + B2- + 2 H+

Un terzo tipo di ossidazione biologica può coinvolgere soltanto un trasferimento di elettroni:

A2- + B → [A + 2 e + B] → A + B2-

Nell’ultimo stadio della catena metabolica la sequenza con cui avviene il trasferimento degli elettroni è determinato dai potenziali di riduzione. Le molecole trasportatrici che sono usate per trasferire gli elettroni in questo stadio sono dette citocromi.

I citocromi sono proteine vettori di elettroni da un livello da alta energia a un livello più basso che permettono l’utilizzo dell’ossigeno a livello cellulare e contengono il gruppo prostetico eme.

L’atomo di ferro presente in ogni molecola di citocromo c può trovarsi nella forma ossidata Fe2+ o nella forma ridotta Fe3+: nell’ambito della catena respiratoria ogni molecola trasportatrice alterna lo stato ridotto e lo stato ossidato con l’ossigeno molecolare che è l’accettore finale di elettroni.

E’ quindi possibile tracciare il trasporto di energia nelle cellule conoscendo il flusso di elettroni da una molecola all’altra.

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