Porque LEO va GER. Dejame explicar.
El oxígeno tiene una poderosa atracción para los electrones, que se llama electronegatividad. Esto le da al oxígeno la capacidad de extraer los electrones de casi cualquier otro átomo si los necesita. Los químicos dicen que el oxígeno es “infeliz” si no tiene una carga completa de electrones en sus caparazones de valencia, por lo que reacciona con otros átomos o moléculas que retienen sus electrones con menos poder, quitándoles sus electrones. La clave es que cuando el oxígeno quita e, rompiendo los enlaces de una molécula de “combustible”, se libera la energía contenida en estos enlaces químicos.
Figura 1: tabla periódica con electronegatividad enumerada para cada elemento (números azules grandes). El oxígeno se encuentra en la parte superior derecha y, en 3.5, tiene la segunda electronegatividad más alta de cualquier elemento.
Lo que el cuadro anterior nos dice es que, en una competencia por electrones, el oxígeno ganará casi todo el tiempo, incluso si eso significa romper enlaces químicos entre otros átomos.
Los combustibles utilizados por los sistemas biológicos tienen muchos electrones que retienen energía potencial en los enlaces químicos que forman. El oxígeno no puede esperar para extraer estos electrones, liberando la energía en combustibles biológicos como la glucosa. Los enlaces w de hidrógeno son uno de los más débiles en términos de aferrarse a sus electrones. Los combustibles como la glucosa, otros azúcares y las grasas tienen hidrógeno en abundancia. A medida que el oxígeno reacciona con estos combustibles en una célula (utilizando una compleja gama de enzimas, orgánulos y cofactores, pero ese es un tema para otro día), quita los electrones energéticos de la molécula de combustible, esencialmente oxidantes (o “ardor”). “) eso. La energía que se libera durante este lento proceso de combustión biológica, enzimáticamente impulsada, es capturada por moléculas como el ATP que actúa como moneda de energía para la célula. El ATP se utiliza para alimentar casi todo en la célula, incluida la síntesis de moléculas (ADN, proteínas, lípidos, etc.), movimiento (por ejemplo, movimiento de fibras de actina contra la miosina que causa el movimiento muscular), transporte de moléculas (por ejemplo, moléculas a través de la membrana celular; y el cloruro dentro y fuera de las neuronas para crear impulsos nerviosos) y el almacenamiento de energía como el glucógeno y la gluconeogénesis. Una advertencia: las plantas tienen una fuente de energía que no proviene de moléculas reducidas (y por lo tanto muy energéticas), sino de ciertas longitudes de onda de luz; sin embargo, esta energía se usa principalmente para producir una molécula reducida, la glucosa.
La oxidación no biológica libera energía también
Vemos lo mismo en la liberación de energía tras la oxidación en la naturaleza del petróleo, la madera, el hierro, el aluminio y muchas otras sustancias. Donde la madera se quema en presencia de oxígeno, la energía se libera en forma de plasma caliente y calor o fuego. Los productos del petróleo son simplemente cadenas de carbono saturadas que tienen enlaces a átomos de hidrógeno. Al igual que en nuestros cuerpos, los enlaces carbono-hidrógeno contienen una gran cantidad de energía potencial. Entonces, cuando hay oxígeno presente, puede quemar (oxidar rápidamente) estas sustancias, liberando calor.
El hierro y el aluminio se oxidan. El hierro se oxida cuando entra en contacto con el oxígeno. El nombre químico para el óxido es hierro III óxido. Contrariamente a la creencia popular, el aluminio también se oxida, más rápidamente que el hierro. El brillo apagado que asociamos con el aluminio es una capa de óxido de aluminio. Esta capa tiene solo 4 nm de grosor (nm significa nanómetros o milmillonésimas de metro). El metal simplemente se oxida tan rápido que la capa de “óxido” protege al aluminio que está debajo de la exposición al oxígeno.
De vuelta a LEO va GER
Entonces, LEO significa Lose Electrons = Oxidation. GER significa Gain Electrons = Reducción. En los sistemas biológicos, la energía se almacena mediante la reducción de moléculas para crear glucosa, lípidos y grasas; y la oxidación se usa para eliminar esa energía almacenada de la glucosa, los lípidos y las grasas para crear una molécula que se convierta en la moneda energética de la célula, con mayor frecuencia ATP. Entonces, el oxígeno se usa para robar electrones de las moléculas de combustible (LEO, oxidación), y en el proceso reduce (GER) el oxígeno, generalmente al agua. Tenga en cuenta que para que se produzca la oxidación, otra molécula debe liberar electrones al oxígeno, por lo que una oxidación de una molécula significa la reducción concomitante de otra. El objetivo de estas reacciones químicas es que a medida que la molécula de combustible se oxida, la energía se libera y luego es capturada, con mayor frecuencia por el ATP, en una compleja serie de reacciones entre muchas enzimas y sustratos. Entonces, sobre una base celular, necesitamos oxígeno para crear una molécula energética que pueda usarse fácilmente para impulsar reacciones químicas en toda la célula. Cómo se transmite el oxígeno de los pulmones a las células debe ser el tema de otra publicación.
En un nivel más profundo, y para las matemáticas más inclinadas, todas las reacciones químicas se rigen por principios termodinámicos y la velocidad de reacción, llamada cinética, está determinada por la energía de activación. Las reacciones son espontáneas solo si los reactivos liberan energía, por lo que los productos químicos deben tener menor energía que los productos. Cuando digo energía, me refiero a Gibbs Free Energy, G: el cambio en G durante una reacción debe ser negativo (lo que significa que los productos tienen menor energía que los reactivos) para que ocurra una reacción de forma natural y sin ayuda de otras fuentes de energía. La energía libre de Gibbs tiene dos componentes: 1. la entalpía, significada por H, es energía térmica. 2. la entropía, significada por S, mide el desorden. de un sistema químico Estos componentes están relacionados por la fórmula, ΔG = ΔH – TΔS.
Como las consideraciones termodinámicas determinan si se producirá una reacción, las consideraciones cinéticas determinan qué tan rápido reaccionarán. Las velocidades de reacción son exponencialmente proporcionales a la energía de activación (Ea) de la reacción, como lo muestra la fórmula para la constante de velocidad, k = Ae ^ (- Ea / RT), donde A es la constante de Arrhenius, k es la constante de velocidad, T es la temperatura en Kelvin y R es la constante de gas. Ea es la energía de activación de la reacción en julios por mol, que es el aumento en la energía de los reactivos que ocurre cuando los reactivos forman un “complejo activado” altamente energético; ver un ejemplo de esto para la reacción de hidrógeno con oxígeno gaseoso. El complejo activado se visualiza en la parte superior de la curva de reacción.
Para ver cómo se usan la glucosa y la fosforilación para impulsar las células, consulte mi publicación Respuesta de Mark Cross a ¿Qué es la fosforilación a nivel de sustrato? ¿Cuáles son algunos ejemplos?
NOTA: Samuel J. Fogarty ha proporcionado una respuesta excelente para la otra parte de la pregunta sobre qué seres vivos no requieren oxígeno.
EDITAR 14/04/18: Agregué un poco de antecedentes para aquellos que quieren profundizar un poco más en los factores que determinan por qué y qué tan rápido suceden las reacciones.
Los humanos, como todas las criaturas vivientes, se componen de unos pocos materiales muy simples organizados de maneras muy complicadas. En su mayor parte fueron carbono oxígeno nitrógeno hidrógeno sulfuro fósforo y cantidades traza de otras cosas. Algo está vivo cuando es capaz de tomar energía y ambiente y redirigirlo para servir a su propio propósito. Los primeros seres vivos probablemente aparecieron y el ambiente que tenía una abundancia de energía y materias primas, como un respiradero de humo profundo u otro fenómeno natural calentado volcánico. Para que la vida se mueva simplemente reciclando la energía de su entorno original se necesita una forma de almacenar energía y utilizarla más tarde.
Debido a que estas criaturas son solo una célula, las leyes de la química son casi más aplicables que la biología de lotes. Los primeros años de vida probablemente eligieron moléculas de alta energía, que es un material que requería mucha energía, porque son más eficientes o quizás porque eran las únicas moléculas que funcionarían para mantener los procesos químicos de la vida lejos de la energía “libre” y materiales de sus orígenes. El oxígeno tiene una electronegatividad más alta que la mayoría de las otras moléculas en la tabla periódica, lo que le da la capacidad única de crear enlaces polares o desiguales, así como de involucrarse en todo tipo de interacciones químicas y eléctricas interesantes.
La innovación fundamental de la vida generalmente se considera como el momento en que participan los autótrofos o los animales que podrían producir su propio alimento. Usando un proceso llamado fotosíntesis, estas criaturas tempranas fueron capaces de capturar la energía de la luz solar, que es prácticamente infinita, y convertirla en el tipo de enlaces químicos con los que los orgánulos celulares fueron diseñados para tratar. El oxígeno, resulta ser un actor clave en esta reacción porque el agua se divide para crear la glucosa que alimenta las plantas modernas.
La glucosa o azúcar, como se la conoce más comúnmente, es la unidad de almacenamiento de energía más común en todo el planeta Tierra. Se formó a partir de pequeñas moléculas de carbono que utilizan la energía enviada por las reacciones del sol y, por lo tanto, es más fácil de desarmar y viceversa. Así como el oxígeno era importante en la formación de glucosa, el oxígeno representa la parada final de los electrones que se desprenden del azúcar y atraviesan algo conocido como el ciclo de Krebs. De hecho, las células humanas pueden sobrevivir sin oxígeno durante un tiempo muy limitado. Esto es haciendo algo llamado fermentación de ácido láctico o respiración anaerobia más probable que es lo que fueron atrapados en la clase de ciencias.
La fermentación del ácido láctico produce una pequeña cantidad de energía pero permite que la célula continúe funcionando manteniendo todos los portadores, también conocidos como enzimas, moviéndose para permitir que las reacciones continúen. Esto es importante porque durante cosas como el ejercicio o el estrés, los músculos u otros órganos podrían requerir más oxígeno o energía de la que tienen y si no pudieran hacer la fermentación, se cerrarían rápidamente.
Debido a las demandas de alta energía de órganos como nuestro cerebro, que no se pueden apagar, incluso por un tiempo, la fermentación de ácido láctico no es suficiente para mantener la vida por un período prolongado de tiempo. Se puede producir aproximadamente 12 veces más energía descomponiendo por completo la glucosa y ejecutando el ciclo de Krebs en comparación con la simple realización de la fermentación de ácido láctico.
El ciclo de Krebs toma los enlaces de carbono de la molécula de glucosa y los rompe transfiriendo la energía a moléculas transportadoras que participan en una serie de reacciones mezclando electrones entre enzimas para impulsar la creación de ATP. Si no hay suficiente oxígeno al final del ciclo, los electrones no se pueden eliminar de las enzimas y todo el proceso retrocede.
Resumir el proceso básico del metabolismo es la descomposición de la glucosa que está incompleta sin la presencia de oxígeno para eliminar los electrones.
El oxígeno es especialmente adecuado para proporcionar energía a grandes formas de vida. Es uno de los oxidantes más efectivos en la tabla periódica (de ahí el término) y puede aceptar dos enlaces, a diferencia de Flúor y sus amigos. Digestión de alimentos es el proceso de quemarlo de manera controlada para liberar la energía química, y por lo general necesita algún tipo de oxidante para hacerlo.
Si bien hay más de una forma de lograr esa oxidación, el oxígeno es tan útil que es muy probable que una especie exótica desarrolle la capacidad de procesarlo, si es que está presente en su entorno, incluso si no son formas de vida basadas en carbono. . Y, muchos de nuestros procesos químicos dependen de él.
Tendría que recrear artificialmente un ser humano a partir de los átomos para que no usen oxígeno. Aparte de los otros elementos presentes en la atmósfera, hay oxígeno libre presente.
Para un ejemplo muy cercano al realista de las diferentes formas de vida de los habitantes, los planes, por ejemplo, inhalan dióxido de carbono para su existencia.
Animales que existen sin oxígeno
Los animales, llamados Loriciferans debido a su capa protectora, o lorica , fueron descubiertos por un equipo dirigido por Roberto Danovaro de la Universidad Politécnica de Marche en Ancona, Italia. Los animales estaban presentes en el mar Mediterráneo.
Tres especies de criaturas, que tienen solo un milímetro de largo y se asemejan a medusas envueltas en conchas, fueron encontradas 2.2 millas (3.5km) bajo el agua en el fondo del océano, a 124 millas (200km) de la costa de Creta, en un área casi sin oxígeno .
Las células de la criatura aparentemente carecen de mitocondrias, los orgánulos que usan oxígeno para alimentar a una célula. En cambio, son ricos en lo que parecen ser hidrogenosomas, organelos que pueden hacer un trabajo similar en entornos anaeróbicos (o libres de oxígeno). El hallazgo podría ayudar a los científicos a comprender cómo podría haber sido la vida en los primeros océanos de la tierra, que también tenían muy poco oxígeno.
Entonces, posiblemente, hay seres vivos que pueden existir sin un oxidante común como el oxígeno.
La capacidad de metabolizar oxígeno diatómico probablemente comenzó con menos de 3 BYA mientras que la atmósfera era nitrógeno, dióxido de carbono y agua. La capacidad de usar oxígeno diatómico probablemente comenzó como una defensa contra el oxígeno. Los organismos con fotosíntesis estaban agregando oxígeno a la atmósfera, que es un veneno para los organismos anaeróbicos. Así que la primera respiración aeróbica probablemente comenzó a destruir la molécula de oxígeno antes de que arruinara la célula viva.
Todos los eucariotas han evolucionado para respirar oxígeno y ningún otro elemento. Sin embargo, la mayoría de los organismos no están en el dominio eucariota. La mayoría de los organismos son procariotas de éter o arqueas. La mayoría de estos organismos son anaeróbicos.
Hay muchas bacterias (procariotas) que son aeróbicas. El género Bacillus son todos aeróbicos, por ejemplo. Sin embargo, la mayoría de las bacterias son anaeróbicas. El oxígeno diatómico es un veneno para ellos. El género Clostridium es todo anaeróbico.
La mayoría de las especies bacterianas expuestas al oxígeno diatómico mueren. Estos organismos toman moléculas complejas y las separan generalmente en ácidos carboxílicos. La descomposición en un entorno aeróbico es más rápida y más limpia que la descomposición en un entorno anaeróbico. Sin embargo, la descomposición todavía ocurre en ambientes húmedos y anaeróbicos.
La mayoría de los procariotas y arqueas son completamente aeróbicos. Algunos de ellos tienen vías respiratorias que aparecen como parte del ciclo aeróbico en eucariotas.
Incluso los eucariotas tienen vías anaeróbicas para proporcionar energía. Los animales pueden metabolizar el azúcar sin oxígeno para formar ácido láctico en lugar de dióxido de carbono. Usan este mecanismo cuando han agotado todas sus reservas aeróbicas. No pueden sobrevivir mucho en este modo. Sin embargo, lo hacen por tiempos cortos en situaciones de emergencia.
Algunos eucariotes unicelulares no necesitan oxígeno por completo. Pueden vivir un tiempo indefinido con la respiración anaeróbica.
La levadura es un buen ejemplo de eucariota que puede vivir sin oxígeno diatómico. Si se expone al oxígeno en solución acuosa, la levadura se reproduce más rápido. Sin embargo, todavía se reproducen sin oxígeno.
La levadura en agua azucarada sin oxígeno hace famoso el alcohol. Descomponen el azúcar en moléculas más pequeñas, incluido el etanol o el metanol. Usan el oxígeno solo cuando está disponible. Luego, producen dióxido de carbono en lugar de alcohol.
Las bacterias y plantas fototrópicas pueden absorber dióxido de carbono, agua y luz solar para producir energía en forma de moléculas de ATP y NADH. La energía se usa para hacer carbohidratos.
Estos organismos fototrópicos NO NECESITAN oxígeno diatómico. El oxígeno diatómico es un producto de desecho. Entonces estos organismos fototrópicos probablemente funcionaron bastante bien cuando la atmósfera de la Tierra no tenía oxígeno diatómico. Los principales componentes atmosféricos 4 BYA Solo tenían dióxido de carbono y nitrógeno.
Respuesta corta:
1: Hubo una abundancia del elemento después de que @Cyanobacteria evolucionó a carbohidratos de síntesis a partir de CO2.
2: El oxígeno es un potente oxidante.
El final de la respiración celular necesita un elemento que pueda aceptar los electrones que ayudan a generar energía para la célula.
Sin un elemento que pueda eliminar los electrones, la respiración celular se detiene y la célula muere por falta de energía.
Hay organismos que usan otros elementos además del oxígeno como oxidante, como SO4 ^ -2, NO3 ^ -, azufre y fumurados. Pero estos elementos son menos efectivos para aceptar electrones.
Una respuesta un poco más profunda:
(Crédito de la imagen: Wikipedia Commons)
Esta es una imagen de una mitchondria. El orgánulo que produce energía (trifosfato de adenosina, o ATP, para abreviar) para la célula.
(Crédito de la imagen: Pearson Education)
Y esta es una imagen de cómo se hace esa energía.
El ATP está formado por un gradiente de protones (H +). Cuando los protones van desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial a través de la ATP-sintasa. ATP está hecho.
La única forma de construir este gradiente de protones es mediante electrones “potentes” donados por NADH y FADH2 a la membrana mitocondrial interna. Estos electrones hacen que varias proteínas de membrana bombeen protones al espacio intermembrana, por lo que la ATP-sintasa puede continuar produciendo ATP
Ahora aquí está el pateador. Estos poderosos electrones deben ser eliminados después de haber sido utilizados. Y es por eso que necesitamos un oxidante (algo que pueda aceptar electrones).
Ahora Oxygen recibió su nombre por ser un fuerte oxidante. Y afortunadamente hay mucho de eso. Solo necesitamos respirar O2. El O2 irá a las mitocondrias y aceptará los electrones de la membrana mitocondrial interna; en el proceso, algunos protones también se unirán a la fiesta. Así obtenemos H2O (agua) como un producto.
Si equilibramos la ecuación, se verá así:
4 (H +) + O2 + 4 (e-) -> 2 (H2O)
