Strainu onLine

Descriere: Procesele redox transformă hrana în energia necesară oamenilor
Materie: Biologie, Chimie
Referat făcut la liceu.

Download (toate referatele sunt distribuite sub Licenţa CC-BY 3.0)

Mai jos aveţi la dispoziţie o variantă text a referatului. Vă rugăm să reţineţi că această variantă nu are nici un fel de formatare sau poze. Unele caractere pot să nu fie arătate corect. Pentru varianta integrală vă rugăm să downloadaţi referatul.

PROCESE REDOX IN ORGANISMUL UMAN

1). Ce sunt reactiile redox ?
Reacţii de oxidare-reducere sau redox: reacţii prin care se combină substanţe chimice care atrag electroni (despre acestea se spune că sunt reduse) cu substanţe chimice care cedează uşor electroni (se spune despre aceste substanţe că oxidează). Un exemplu tipic: sodiul este oxidat de sulf:

Doi atomi de sodiu, fiecare având un unic electron de valentă slab atras de către nucleu, cedeaza electronul de pe stratul exterior pentru a completa stratul exterior al unui atom de sulf. Fiecare atom de sodiu este ulterior oxidat, rezultând ioni pozitivi Na+, în timp ce atomul de sulf este redus la un ion negativ S2-. Aceşti ioni cu sarcini electrice opuse se combină, rezultând o molecula de sulfat de sodiu.

2). Reactii redox in bioenergetica:

Mecanismele de transfer ale energiei in celulele sunt componente ale cailor metabolice ale celulelor ce pot fi impartite in anabolice sau sinteza si catabolice sau de descompunere. Reactiile anabolice implica o crestere in structura biologica, iar cea de-a doua lege a termodinamicii are o crestere in entropia sistemului, este nevoie de energie. In contrast, reactiile catabolice implica o crestere a entropiei si o eliberare de energie.
Prin urmare este posibila directa legare a reactiilor anabolice si catabolice in organism. Atata timp cat energia eliberata prin catabolism este mai mare ca cea consumata prin anabolism, cea de-a doua lege este indeplinita. Dar in majoritatea reactiilor biologice cele doua aspecte (anabolismul si catabolismul) nu sunt legate direct si in loc de energie multa este utilizata cea intermediara. Deci caile catabiloce genereaza metaboliti (amino-acizi, acizi grasi-glucoza-zahar) si energii mari intermediare ce sunt cu totii folositi in anabolism. Energia compusilor fosfati si energia transferului electronilor sunt doua forme de mare energie intermediara generata de reactiile catabolice.
O forma de energie intermediara puternica comuna in metabolism este potentialul de transfer al electronilor sau potentialul de reducere al compusilor. Potentialul de reducere este reprezentat cu E0 ; potential de transfer al electronilor este o masura a afinitatii compusilor pentru electroni. Un potential de reducere negativ inseamna o mai mica afinitate a compusului pentru electroni si acestia sunt transferati de la compusii cu afinitate mica la cei cu afinitate mai pronuntata.
Sunt mai multi termeni importanti ce vor fi frecvent folositi pentru a ne referi la transferul de electroni. Un compus organic reduc sau reducator are electroni (i) liberi pentru transfer, deci poate fi considerat un agent reducator. Un agent organic oxidat sau oxidant poate accepta electroni (i), deci este un agent oxidant.
Oxidarea se refera la cedarea de electroni: Fe(2+) óFe(3+) +e- reducerea se refera la acceptarea de electroni: Fe(3+) +e-ó Fe(2+).
Dupa definitie numai un compus redus poate fi oxidat si numai unul oxidat poate fi redus. In reactiile biologice nu exista surse sau scaderi electronice; prin urmare cand un compus este redus, altul trebuie sa fie oxidat. Reactiile ce implica transfer de electroni in perechi sunt reactii redox.
Prin definitie, reactia de reducere a 2H(+) + 2e- ó H2 la 1 M si 25 C are potentialul standard E = 0mV. Din acest motiv electrodul de H2 este folosit pentru a masura potentialele diferitelor celule galvanice.
Electroni pot sa circule intre cele doua celule galvanice prin intermediul puntii de sare (K,NaNO3, etc.) si daca proba A are o mica afinitate pentru e decat H2, e vor circula de la proba de referinta, iar un voltmetru va indica potentialul de reducere a probei A ca fiind negativ (E0<0 mV). Invers, daca proba A are o mai mare afinitate pentru e decat H, e vor circula de la H2 de referinta la proba, iar in acest caz E0>0mV. Asadar un potential standard redox pozitiv inseamna o mai mare afinitate pentru e ce trebuie sa circule de la afinitate mica la una mare ceea ce reprezinta o crestere a entropiei.
Intr-o pereche redox transferul de electroni are loc de la un reducator cu afinitate mica pentr e- la un oxidant cu o afinitate mai mare. Diferenta de energie este eliberata si disponibila spre a fi folosita. Energia libera a unui sistem redox se calculeaza prin Δb=nFΔE .
Nota ΔE este diferenta in potentialul de reducere al reactiei de oxidare din reactia de reduce, n este nr. de e- transferati si F este constanta lui Faraday(23,06 kcal/v-mol). De exemplu cand NADH este oxidat intr-un cuplu redox cu reducerea pana la lactate.
Similar cu orice alta reactie chimica, valoarea G a unei celule depinde de concentratia relativa a produsilor si reactantilor.
Depinzand de moleculele organice, transferul de e- poate sa nu fie insotit si de transfer de p+. O reactie oxidanta insotita de inlaturarea p+ este catalizata de enzime numite dehidrogenoase.
Cele mai intalnite coenzime in celule sunt NAD+ si FAD. NAD+ exista in celule intr-o stare fosforica ca NADP+ ce este similara cu potentialul de reducere. Totusi, cele doua transferuri de e- ale compusilor sunt recunoscute de enzime diferite, ele fiind folosite pentru cai metabolice diferite. In general NAD este folosit in reactii catabolice, pe cand NADP+ este folosit in rectii anabolice.
Transformarea NAD+ in NADH: NAD++ 2e-+H- →NADH

Notatii:
NADH=nicotinamide ademine dinucleotide
ATP=adenozine trifosfate

3). Respiratia celulara:
1. INTRODUCERE
Respiraţia celulară este un proces prin care celulele produc energia necesară pentru a supravieţui. În respiraţia celulară, celulele folosesc oxigen pentru a descompune glucoza si pentru a îi reţine energia în molecule de adenozintrifosfat(ATP).Respiraţia celulară este esenţială pentru supravieţuirea celor mai multe organisme întrucât energia conţinută în glucoză nu poate fi folosită în celule fără a fi stocată în ATP.

Cele două componente esenţiale ale respiraţiei sunt oxigenul şi glucoza Animalele obţin glucoză mâncând plante.
Respiraţia celulară transferă cam 40% din energia glucozei în ATP. Restul energiei din glucoză este eliberat sub formă de căldură, pe care omul o foloseşte pentru a-şi menţine temperatura corporală. Respiraţia celulară este uimitor de eficientă comparată cu alte procese de conversie a energiei, ca arderea benzinei, la care doar 25% din energie este utilizată.

2. CUM FUNCŢIONEAZĂ RESPIRAŢIA CELULARĂ
Procesul respiraţiei celulare apare în patru stadii: glicoliză; stadiul de tranziţie; ciclul Krebs; şi lanţul de transport al electronilor.
Glicoliza În organismul animalelor se produce un proces asemănător fermentaţiilor monohazaridelor, şi anume fermentaţia monozaharidelor până la acid lactic. Acest proces este cunoscut sub numele, de glicoliza. Spre deosebire de fermentaţia alcoolică, la care punctul de plecare este glucoza, în cazul glicolizei, glicogenul, o polizaharidă conţinută în muşchiul animal, este transformat în eteri fosforici printr-o reacţie de tipul:
glicogen + H3 PO4 fosfat de glucoză

Transformarea glicogenului în acid lactic este un proces exoterm; el dă energia necesară producerii travaliului muscular. Procesul este reversibil: o parte din acidul lactic sintetizează din nou glicogenul, proces care este endoterm. Reformarea glicogenului se face în muşchi, dar mai ales în ficat, unde acidul lactic este adus de sânge.
În glicoliză, glucoza este descompusă cu ajutorul enzimelor şi altor molecule ce se află în citoplasmă. Enzimele unesc două grupuri fosfat la glucoză pentru a-I mări reactivitatea. Un grup fosfat are formula P04. O altă enzimă împarte glucoza în două pentru a forma două grupuri de trei atomi de carbon, fiecare cu câte o moleculă de fosfat.
În următorul pas, o enzimă îndepărtează un atom de hidrogen şi doi electronidin fiecare moleculă. Atomii sunt transformaţi în ioni de hidrogen. Un ion şi doi electroni sunt transferaţi la nicotinamid adenin dinucleotid (NAD+) pentru a forma două molecule de NADH.
În fazele finale ale glicolizei, doi atomi de hidrogen sunt înlăturaţi din fiecare grup cu trei atomi de carbon şi se leagă de atomii de Oxigen liber din citoplasmă, rezultând apă. La următorul pas al respiraţie celulare, sub acţiunea unei enzime, grupul PO4 este eliberat din grupul cu 3 atomi de carbon şi se combină cu o moleculă de ADP. Aşadar ADP este compus din grupul din 3 atomi de carbon şi restul a două grupuri fosfat. Prin adăugarea unui al treilea grup fosfat se obţine ATP. Aici se obţin două molecule ATP. În momentul în care consumul de energie al moleculei creşte, o altă enzimă înlătură al treilea grup fosfat, eliberând energie ce alimentează celula. Simultan ATP devine ADP care poate fi folosit din nou în respiraţia celulară pentru a produce mai mult ATP.
Când cele două grupuri cu 3 atomi de carbon sunt separate de grupurile fosfat, sunt transformate în două molecule piruvat C3O3H3 . La încheierea glicolizei au apărut produse necesare în etapele ulterioare ale respiraţiei celulare: două molecule de NADH şi două molecule de piruvat. Cele două molecule de ATP apărute în cursul glicolizei sunt folosite pentru reacţii celulare ce necesită energie.
Faza de tranziţie Moleculele de piruvat se mută din citoplasmă în structuri specializate ale celulei numite mitocondrii unde au loc celelalte faze ale respiraţiei celulare. Fiecare mitocondrie este acoperită cu o membrană care este înfăşurată de multe ori. Această membrană întinsă este acoperită cu sute de mii de enzime care dirijează respraţia celulară. Numeroasele enzime permit ca o mare cantitate de ATP să fie podusă simultan într-o mitocondrie. Faza de tranziţie reprezintă un scurt pasaj biochimic între glicoliză şi ciclul Krebs. În această scurtă fază enzimele transferă ioni de hidrogen şi electroni din cele două molecule de piruvat la doua molecule NAD+ pentru a forma încă două molecule NADH.
O altă enzimă înlătură CO2 din fiecare moleculă de piruvat. Acest dioxid de carbon, un prim deşeu al respiraţiei celulare, este difuzat în afara celulei. În urma acestor reacţii, fiecare moleculă de piruvat se transformă într-un grup acetil. Cele două molecule acetil împreună cu două molecule de coenzima A intră în aşa numitul ciclu al lui Krebs.
Ciclul Krebs Serie de reacţii chimice produse în celule al căror rezultat final este descompunerea moleculelor din hrană în energie, apă şi dioxid de carbon. Se manifestă la toate animalele, la plantele superioare şi în cele mai multe bacterii. În organismele ale căror celule au nucleu, ciclul are loc în mitocondrii, structură deseori numită uzina energetica a celulei.
Înainte ca hrana să intre în ciclul acidului citric, ea este sfărâmată în grupuri acetil CH3CO. La iniţierea ciclului, fiecare grup acetil se combină cu o moleculă de oxaloacetat, rezultând acid citric C3H4OH. În celelalte faze ale ciclului, molecula de acid citric pierde doi dintre atomii săi de carbon, eliminaţi sub forma de CO2. Se eliberează de asemenea patru electroni, care circulă în celulă de-a lungul unei serii de molecule purtătoare, apărând o moleculă bogata în energie numita adenosintrifosforic (ATP), înainte de a se combina cu oxigenul şi a forma apa. Un alt produs al ciclului este o altă moleculă purtătoare de energie, numita guanosintrifosfat (GTP). Moleculele de ATP şi GTP sunt utilizate pentru procesele consumatoare de energie ale celulei. O altă moleculă energizată, creatinfosfatul, este folosita pentru a furniza energie suplimentara celulelor musculare şi nervoase. La încheierea ciclului, molecula de oxaloacetat este regenerată. Aceasta moleculă se poate combina cu un alt grup acetil pentru a iniţia încă un ciclu de reacţii care produce mai multă energie pentru acoperirea nevoilor organismului.
În ciclul lui Krebs se consumă apă şi se elimină CO2 şi H. Dioxidul de carbon format se elimină la respiraţie, hidrogenul format este oxidat enzimatic printr-un proces însoţit de eliberarea unei cantităţi mari de energie.
Între ciclul acidului citric şi metabolismul proteinelor există o interdependenţă. De asemenea, există o strânsă legătură între ciclul Krebs şi ciclul acizilor graşi. Prin urmare, ciclul acidului citric are o deosebită importanţă pentru sinteza şi degradarea hidraţilor de carbon, a grăsimilor şi proteinelor din organism.

Lantul de transport al electronilor. Reacţiile lanţului de transport al electronilor apar în câteva molecule apropiate din membrana mitocondrială. Acţionând ca agenţi de transport, moleculele de NADH şi FADH2 îşi depun încărcătura de electroni şi ioni de hidrogen lângă moleculele ce formează lanţul. Prima moleculă din lanţ atrage electronii, dar următoarea moleculă are o atracţie mai puternică şi îi atrage către ea. Electronii trec de-a lungul lanţului până găsesc O2, aflat în ultima moleculă din lanţ. Oxigenul are cea mai mare afinitate pentru electroni din lanţ şi de aceea el reţine electronii, care sunt însoţiţi de ionii de hidrogen. Combinaţia de electroni, ioni de hidrogen şi oxigen formează apa, utilizată de celulă în alte reacţii. După ce NADH şi FADH2 cedează electronii şi ionii de hidrogen, ele sunt convertite la NAD+ şi FAD2+, ceea ce oferă celulei o resursă stabilă de astfel de molecule pentru a realiza respiraţia celulară.

Pe masură ce electronii avansează pe lanţul de transport, ei eliberează energie care este utilizată de o enzimă pentru a sintetiza ATP din ADP şi grupuri de fosfaţi din mitocondrie. În cele mai multe celule, lanţul produce 32 molecule de ATP. Împreună cu cele două molecule ATP produse în cursul glicolizei şi cele patru molecule generate în ciclul lui Krebs, rezultă 38 molecule de ATP pentru fiecare moleculă de glucoză procesată.
Milioane de molecule de ATP sunt sintetizate în fiecare secundă. Unele dintre ele rămân în celulă pentru a-i oferi energia necesară, dar majoritatea se deplasează în citoplasmă, unde sunt folosite la activitatea celulară. Se estimează că o singură celulă din creierul uman foloseşte 10 milioane de molecule de ATP în fiecare secundă.
Cu toate că glucoza este principala sursă pentru sintetizarea ATP, celulele pot produce ATP pornind şi de la alte molecule. Respiraţia celulară este în legătură cu alte sisteme metabolice care pot ceda respiraţiei celulare molecule în diferite momente ale ciclului. Abilitatea de a utiliza molecule alternative păstrează activă producţia de ATP chiar dacă se epuizează glucoza.

4). Monozaharide

Monozaharidele pot fi considerate produse de oxidare a unor alcooli polihidroxilici.Dupa cum a fost oxidata o grupa de alcool primar sau de alcool secundar rexzulta o grupa aldehidica sau o grupa cetonica adica hidroxi-aldehide sau hidroxi-cetone.Ca urmare se deosebesc monozaharide cu grupa aldehidica , numite aldoze, si monozaharidecu grupa cetonica , numite cetoze.
Dupa numarul de atomi de carbon din molecula, monozaharidele se impart in bioze, trioze, tetroze, pentoze, hexoze, heptoze, etc.
Monozaharidele sunt foarte raspandite in natura, atat in stare libera, cat si in forma combinata. Produsele naturale -fructele- contin cantitati importante de glucoza, fructoza, etc. Zaharul , amidonul, celuloza, sunt produse de condensare a monozaharidelor, din care acestea se pot obtine prin hidroliza. Glicozidele, foarte raspandite substante, de exemplu alcooli si fenoli. O clasa de derivati ai monozaharidelor sunt substantele tanante din categoria galotaninurilor.
Toate monozaharidele sunt substante neutre, cristaline, solubile in apa, mai greu solubile in alcool si insolubile in eter, cloroform etc. Ele au gust dulce; exista insa monozaharide fara gust sau cu gust amarui. Solutiile monozaharidelor naturale prezinta activitate optica. O constanta caracteristica a lor este rotatia specifica.
Prin incalzire, monozaharidele se caramelizeazasi apoi se carbonizeaza.
In organismele vii au loc variate reactii in urma carora din substante cu molecule mai simple rezulta substante cu molecule mai complicate sunt transformate in substante cu molecule mai simple.

Monozaharide mai importante:

Triozele nu se gasesc libere in natura. Mai importante sunt glicerinaldehida si dihidroxiacetona .
Glicerin aldehida se prepara cu greutate. In forma racemica se poate obtine prin oxidarea moderata a glicerinei, insa in amestec cu alti compusi. Racemicul este o substanta cu gust dulce, cristalizata acicular care dimerizeaza usor. Glicerinaldehida racemica se paote scinda in enantiomeri, substante siropoase, care se dimeriziaza de asemenea cu usurinta.
Dihidroxiacetona se poate obtine din glicerina prin oxidare cu brom sau pe cale fermentativa. Este o substanta cu gust dulce, cristalina, care se topeste la 72C. In stare solida este dimerizata, ca si glicerinaldehida. In solutie da toate reactiile caracteristice grupei carboxil.

Tetrozele sunt mai putin importante; ele nu se intalnesc in natura, ci rezulta prin reactii de degradare a pentozelor.

Pentozele se gasesc in natura sub forma unor polizaharide, pentozanii. Acestia apar in regnul vegetal in lemn, in paie , in coji de seminte,etc. prin hidroliza dau pentoze. De asemenea, se cunosc glicozide in a caror structura se gasesc pentoze. Exista patru perechi de stereoizomeri ai aldo-pentozelor, cum si doua perechi de stereoizomeri ai cetopentozelor. Dintre stereoizomerii aldo-pentozelor sunt mai importanti: L (+)-arabinoza, D(+)-xiloza si D (-)-riboza.

Hexozele sunt foarte raspandite in natura, mai putin in stare libera, mai mult sub forma de polizaharide si glicozide. Dintre hexoze, cele mai importante sunt : D (+)-glucoza, D (+)-manoza, D (+)-galactoza si D (-)-fructoza.

D (+)-Glucoza, sau zaharul de struguri, este foarte raspandita in regnul vegetal, fie ca atare in sucul de fructe dulci sau in flori, fie sub forma de dizaharide (lactoza, zaharoza, maltoza, celobioza) sau polizaharide (amidon si celuloza). De asemenea se gaseste in stare combinata, sub forma de glicozide. In cantitati mici se mai gaseste in sange limfa, urina, etc. ( La bolnavii de diabet cantitatea de glucoza din urina si sange este marita).
Glucoza se obtine prin hidroliza a oligo- si polizaharidelor, cum si a glicozidelor. Industrial se prepare din amidon, pri hidroliza cu acid clorhidric diluat, sub presiune mica, 2 atm.
In forma stabila, glucoza are structura piranozica, si anume este o alfa-piranoza. Din solutie apoasa cristalizeaza in mod obisnuit in forma alfa cu o molecula de apa. In stare anhidra se topeste la 146C.
Prin oxidare, D-glucoza trece intai in acid D-gluconic, apoi in acid D-zaharic; prin reducere trece in alcoolul hexahidroxilic D-sorbitol. Prin fermentarea glucozei cu drojdie de bere se btin ca produse principale bioxid de carbon si etanol.
Glucoza este intrebuintata ca inlocuitor de zahar in cofetarie si la prepararea lichiorurilor. Avand proprietati reducatoare, este folosita la fabricarea oglinzilor. De asemenea, se mai utilizeaza in industria textila (vopsitorie, imprimerie si ca apret).

D (-)-fructoza este cea mai importanta ceto-hexoza. Ea se gaseste alaturi de glucoza in fructe dulci si miere. De asemenea, impreuna cu glucoza intra in compozitia dizaharidei zaharoza. In aceste combinatii, fructoza se gaseste sub forma furanozica; in stare libera se gaseste insa sub forma piranozica.
Fructoza se obtine, odata cu glucoza, prin hidroliza zaharozeisau prin hidroliza inulinei. Se topeste la 103 C si este solubila in apa. Ea este puternic levogira, desi apartine seriei D. De aceea inainte se numea levuloza. Prin reducerea fructozei se obtin doi hexitoli : D-manitol si D-sorbitol.

Heptozele sunt mai putin importante. In natura exista doua heptoze, si anume doua ceto-heptoze. Aldo-heptoze au fost obtinute pe cale de sinteza pornind de la hexoze.