Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кислород ( O
2
) играет важную роль в энергетическом обмене живых организмов. Свободный кислород вырабатывается в биосфере посредством фотолиза (окисления и расщепления под действием света) воды во время фотосинтеза у цианобактерий , зеленых водорослей и растений . Во время окислительного фосфорилирования в клеточном дыхании выделяется химическая энергия кислорода [1], которая восстанавливается до воды, замыкая биологический окислительно - восстановительный цикл вода-кислород .

Фотосинтез [ править ]

В природе свободный кислород образуется в результате расщепления воды под действием света во время кислородного фотосинтеза. Зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, производимого на Земле. [2] [ нужна цитата для проверки ] Остальное вырабатывается наземными растениями, хотя, например, почти весь кислород, производимый в тропических лесах, потребляется живущими там организмами. [3]

Общая упрощенная формула фотосинтеза: [4]

6 CO
2
+ 6 часов
2
O
+ фотоныC
6
ЧАС
12
O
6
+ 6 O
2

(или просто углекислый газ + вода + солнечный свет → глюкоза + кислород)

Фотолитическое выделение кислорода во время фотосинтеза происходит через светозависимое окисление воды до молекулярного кислорода и может быть записано в виде следующей упрощенной химической реакции: 2H 2 O → 4e - + 4H + + O 2

Реакция происходит в тилакоидных мембранах цианобактерий, хлоропластов водорослей и растений и требует энергии четырех фотонов . Электроны окисленных молекул воды заменяют электроны в компоненте P 680 фотосистемы II , которые были удалены в цепь переноса электронов посредством светозависимого возбуждения и резонансной передачи энергии на пластохинон . [5] Photosytem II поэтому также называют водно-пластохинон оксидоредуктазой. [6] Протоны из молекул окисленной воды попадают впросвет тилакоида , тем самым способствуя генерации протонного градиента через тилакоидную мембрану. Этот протонный градиент является движущей силой синтеза АТФ посредством фотофосфорилирования и сочетания поглощения световой энергии и фотолиза воды с созданием химической энергии во время фотосинтеза. [5] O 2, оставшийся после окисления молекулы воды, выбрасывается в атмосферу.

Окисление воды катализируется марганец отработанного фермента комплекс известно как кислород развивающегося сложный (OEC) или расщепление воды комплекса обнаружил , связанный с люменальной стороной тилакоидных мембран. Марганец является важным кофактором , а также для протекания реакции необходимы кальций и хлорид . [5]

Поглощение и перенос кислорода [ править ]

У всех позвоночных гемовая группа гемоглобина связывает большую часть кислорода, растворенного в крови.

У позвоночных поглощение кислорода осуществляется следующими процессами:

Кислород диффундирует через мембраны в эритроциты после вдыхания в легкие. Они связаны с молекулярным кислородом комплексов , которые являются координационными соединениями , которые содержат O 2 в качестве лиганда , [7] обеспечивает более эффективную емкость кислорода загрузки. В крови, группа гема из гемоглобина связывает кислород , когда он присутствует, изменение цвета гемоглобина от голубоватого красного до ярко - красного. [8] [9] Позвоночные животные используют гемоглобин в крови для транспортировки кислорода из легких.в свои ткани, но другие животные используют гемоцианин ( моллюски и некоторые членистоногие ) или гемеритрин ( пауки и омары ). [10] [11] [12] Литр крови может растворить 200 куб. См газообразного кислорода, что намного больше, чем может растворить вода. [10]

После попадания с кровью в ткань тела, нуждающуюся в кислороде, O 2 передается от гемовой группы монооксигеназе , ферменту, который также имеет активный центр с атомом железа. [10] Монооксигеназа использует кислород для обеспечения химической энергии многих окислительных реакций в организме. Углекислый газ, продукт жизнедеятельности, выделяется из клеток в кровь, где он превращается в бикарбонат или связывается с гемоглобином для транспортировки в легкие. Кровь возвращается в легкие, и процесс повторяется. [13]

Аэробное дыхание [ править ]

Молекулярный кислород O 2 необходим для клеточного дыхания всех аэробных организмов , обеспечивая большую часть выделяемой химической энергии. [1] Кислород используется в качестве акцептора электронов в митохондриях для выработки химической энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) во время окислительного фосфорилирования . Реакция аэробного дыхания по существу является обратной реакцией фотосинтеза, за исключением того, что теперь происходит большое высвобождение химической энергии O 2 , которая хранится в молекулах АТФ (до 38 молекул АТФ образуются из одной молекулы глюкозы.). Упрощенная версия этой реакции:

C
6
ЧАС
12
O
6
+ 6 O
2
→ 6 СО
2
+ 6 часов
2
O
+ 2880 кДж / моль

Активные формы кислорода [ править ]

Активные формы кислорода - опасные побочные продукты, которые иногда возникают в результате использования кислорода в организмах. Важные примеры включают; свободные радикалы кислорода, такие как очень опасный супероксид O 2 - и менее опасный перекись водорода (H 2 O 2 ). [10] Организм использует супероксиддисмутазу для восстановления супероксидных радикалов до перекиси водорода. Затем глутатионпероксидаза и аналогичные ферменты превращают H 2 O 2 в воду и дикислород. [10]

Однако части иммунной системы высших организмов создают перекись, супероксид и синглетный кислород для уничтожения вторгшихся микробов. Недавно было обнаружено, что синглетный кислород является источником биологически производимого озона : эта реакция протекает через необычное соединение дигидроген-триоксид , также известный как триоксидан (HOOOH), который является катализируемым антителами продуктом синглетного кислорода и воды. Это соединение, в свою очередь, непропорционально озону и перекиси, обеспечивая два мощных антибактериальных средства. Поэтому диапазон защиты организма от всех этих активных окислителей неудивителен, учитывая их «преднамеренное» использование в качестве противомикробных агентов при иммунном ответе. [14]Активные формы кислорода также играют важную роль в гиперчувствительной реакции растений на атаку патогенов. [5]

См. Также [ править ]

  • Кислородный цикл
  • Кривая диссоциации кислород-гемоглобин
  • Кислород
  • Видимое использование кислорода
  • СО-оксиметр
  • Кислородная катастрофа
  • Кислородная токсичность
  • Активные формы кислорода

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород высокоэнергетической Молекулы Powering комплекса многоклеточный: Основные поправки к традиционной биоэнергетике» ACS Omega 5 :. 2221-2233 http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  2. ^ Fenical, Уильям (сентябрь 1983). «Морские растения: уникальный и неизведанный ресурс» . Растения: потенциал для извлечения белка, лекарств и других полезных химикатов (материалы семинара) . ДИАНА Паблишинг. п. 147. ISBN. 1-4289-2397-7.
  3. ^ Броукер, WS (2006). «Дыхание легко, Et tu, O2» . Колумбийский университет . Проверено 21 октября 2007 .
  4. ^ Коричневый, LeMay, Burslen, Химия Центральная Наука , ISBN 0-13-048450-4 , стр. 958 
  5. ^ a b c d Рэйвен, Питер Х .; Рэй Ф. Эверт; Сьюзан Э. Эйххорн (2005). Биология растений, 7-е издание . Нью-Йорк: WH Freeman and Company Publishers. С. 115–127. ISBN 0-7167-1007-2.
  6. ^ Равал М, Biswal В, Biswal U (2005). «Тайна выделения кислорода: анализ структуры и функции фотосистемы II, водно-пластохинон оксидоредуктазы». Фотосинтез Исследования . 85 (3): 267–93. DOI : 10.1007 / s11120-005-8163-4 . PMID 16170631 . S2CID 12893308 .  
  7. ^ Holleman, AF; Виберг, Э. "Неорганическая химия" Academic Press: Сан-Диего, 2001. ISBN 0-12-352651-5 . 
  8. ^ CO 2 высвобождается из другой части молекулы гемоглобина в виде кислоты, которая вызываетвысвобождениеCO 2 из бикарбоната, его основного резервуара в плазме крови (см. Эффект Бора )
  9. ^ Stwertka 1998 , стр. 48.
  10. ^ а б в г д Эмсли 2001 , стр. 298.
  11. ^ Кук и Лауэр 1968 , стр. 500.
  12. ^ Цифры приведены для значений на высоте до 50 миль над поверхностью.
  13. ^ Emsley 2001 , стр. 303.
  14. Перейти ↑ Hoffmann, Roald (2004). «История О» . Американский ученый . 92 (1): 23. DOI : 10,1511 / 2004.1.23 . Архивировано из оригинала на 2007-02-22 . Проверено 3 марта 2007 .
  • Эмсли, Джон (2001). «Кислород» . Природа Строительные блоки: AZ Руководство по элементам . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. С.  297–304 . ISBN 0-19-850340-7.
  • Кук, Герхард А .; Лауэр, Кэрол М. (1968). «Кислород». В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Книжная корпорация Рейнхольда. С.  499–512 . LCCN  68-29938 .
  • Ствертка, Альберт (1998). Путеводитель по элементам (пересмотренная ред.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-508083-1.