¿Por qué necesitamos oxígeno para la respiración? ¿Por qué no otros gases? ¿Por qué solo particularmente oxígeno?

El oxígeno gaseoso es una molécula altamente reactiva a la que le encantaría reaccionar con algo (casi cualquier cosa) para obtener cuatro electrones y convertirse en dos iones óxido O (como en el óxido férrico) o compartirlos covalentemente (como en el agua).

Esta reacción libera una gran cantidad de energía: suficiente para que valga la pena que todo un metabolismo, el metabolismo aeróbico, haya evolucionado durante los últimos 1.500 millones de años (más o menos) para usarlo.

El oxígeno solo está presente en el aire debido a una forma particularmente sofisticada de fotosíntesis: una capaz de arrebatar cuatro electrones de una molécula de agua y usarlos para reducir el dióxido de carbono a los carbohidratos, liberando oxígeno en el proceso. La fotosíntesis oxigenada precedió al metabolismo aeróbico, obviamente, pero no por mucho tiempo.

¿Qué otros gases están disponibles? Tome nitrógeno: muy abundante, que constituye el 78% de la atmósfera (en estos días). Desgraciadamente, al nitrógeno le encanta combinarse solo consigo mismo para formar N2 y dividirlo, lejos de producir energía, lo consume. Algunas bacterias en los nódulos de las raíces de las leguminosas pueden realizar el truco usando una enzima que contiene molibdeno, si es recompensada adecuadamente con nutrientes de alta energía. La recombinación de compuestos nitrogenados en nitrógeno gaseoso es la base de casi todos los explosivos.

El argón comprende el 1% de la atmósfera, pero no reaccionará con nada, ni siquiera por sí mismo. (Hay un compuesto de argón que se ha hecho, monohidruro de argón, pero es difícil de sintetizar, requiere irradiación de rayos X y, en cualquier caso, es inestable).

El dióxido de carbono no sirve como oxidante, aunque es vital para la fotosíntesis; el uno se sigue del otro.

La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es de 400 ppm. ¡Era 300 ppm cuando estaba haciendo biología A-level en 1969! Cómo pasa el tiempo.

El oxígeno es un gas extremadamente tóxico.

Como necesitamos una forma de tratarlo de todos modos, también podríamos usar su alta reactividad a nuestro beneficio.

Además, es mucho más prevalente que la mayoría de los otros gases altamente reactivos, actualmente es ~ 21% del aire a nivel del mar, pero solía ser una proporción mayor de la misma hace millones de años.

La única alternativa real sería el nitroge, que constituye la mayor parte de la atmósfera. Pero hay un problema: cuando reduces el oxígeno, conviertes el oxígeno (un gas tóxico) en agua (un compuesto inofensivo) y esa reacción libera energía. Pero si reduce el oxígeno de nitrógeno, convierte un gas inofensivo en amoníaco, un compuesto altamente tóxico, y esa reacción requiere energía.

Sin embargo, tenemos mecanismos para tratar el amoníaco, por lo que podrían haber evolucionado para tratar con concentraciones más altas. El problema es químico: convertir el nitrógeno en amoníaco requiere energía. Convertir oxígeno en agua libera energía. Esta es la razón por la cual el nitrógeno es un gas inocuo e inocuo mientras que el oxígeno es un gas tóxico: reaccionará fácilmente con otras sustancias, liberando energía.

Simplemente lo estamos aprovechando.

No hay gases en cantidades significativas en la superficie de la Tierra para que podamos usar.
¡Gracias a las cianobacterias por darnos oxígeno gratis!

Porque así es como el cuerpo humano ha evolucionado con el tiempo. Algunas bacterias son anaeróbicas, lo que significa que prosperan en ausencia de oxígeno … somos organismos aeróbicos y utilizamos oxígeno para los procesos celulares. Las plantas usan fotosíntesis durante el día y respiración durante la noche. Varios organismos evolucionan de manera diferente y usan diferentes nutrientes y gases para el metabolismo.

La glucólisis es un proceso anaeróbico que produce una ganancia neta de dos moles de ATP por 1 mol de glucosa (C6H12O6) oxidado.

La oxidación no requiere oxígeno. Sin embargo, el oxígeno (O2) es uno de los mejores, y primero se entiende. Por lo tanto, es el nombre del proceso.

La oxidación es la pérdida de electrones (e-) de una molécula. Un agente oxidante es una molécula que elimina el electrón (e-) de otro. El oxígeno (O2) es un agente oxidante muy fuerte. Muchas otras moléculas son agentes oxidantes. Muchos no son tan efectivos como el oxígeno (O2).

El agente oxidante utilizado en el proceso anaeróbico de la glucólisis es NAD +. Pero no es uno fuerte, y solo es capaz de eliminar algunos electrones (e-) de la glucosa (C6H12O6), descomponiéndolo en dos moléculas de piruvato.

El oxígeno (O2) es capaz de descomponer la glucosa (C6H12O6) en hasta seis moléculas de dióxido de carbono (CO2).

Con el uso de oxígeno (O2) como el aceptor final de electrones (e-) en la cadena de transporte de electrones, la respiración aeróbica puede producir 36-38 moles de ATP a partir de un mol de glucosa, a través de la fosforilación oxidativa. Mucho más ATP que el proceso anaeróbico puede, usando solo NAD +.