Me preguntaba qué hace realmente el oxígeno en el cuerpo. He visto algunas respuestas a otras preguntas que involucran la cadena de electrones y realmente no estoy seguro de qué es eso. Entonces, me preguntaba qué hace el oxígeno y ¿podría el hidrógeno hacer lo mismo como sustituto?
No, el hidrógeno no podría reemplazar al oxígeno porque tiene características completamente diferentes. El más importante es probablemente su electronegatividad: el oxígeno "atrae" electrones mucho más "fuertes" que el hidrógeno.
Conceptos básicos: potencial de reducción
El oxígeno es el llamado aceptor terminal de electrones de la cadena de transporte de electrones en eucariotas. Puede ver el "potencial de reducción" como un tipo de "energía" almacenada que tienen las moléculas, similar a la energía almacenada en las baterías (muy similar en realidad). Para acortar un poco este texto lo llamaré "RP" de ahora en adelante.
Un detalle quizás confuso es que una sustancia con RP bajo tiene "más energía" que una sustancia con RP alto , por lo que es la forma opuesta de pensar.
En términos muy generales, el metabolismo significa que las moléculas con un RP bajo (glucosa) se oxidan (queman) y se convierten en moléculas con un RP (CO 2 ) mucho más alto. Junto con esto, una molécula diferente con un RP muy alto (oxígeno) se reduce y se convierte en una molécula con un RP ligeramente más bajo (H 2 O). (Es posible que haya escuchado esto antes, se llama reacción redox). *
La parte importante es que el RP "liberado" por la oxidación (combustión) es mayor que el RP "captado" por la reducción. El excedente sale como energía: calor y luz si solo quemas la glucosa. Este es un proceso espontáneo, lo que significa que ocurrirá solo, incluso si lleva mucho tiempo si nadie le tira una cerilla.
La idea del metabolismo es dejar que ese proceso suceda, pero usar la mayor cantidad posible de energía que libera. Esto funciona no solo dejando que se queme, sino interceptando ese proceso de quemado en diferentes etapas para que en cada paso se pueda quitar un poco del RP y almacenarlo en otra cosa. Este "algo más" es NAD que estoy seguro de que has encontrado antes. En cada paso en el que se quema la glucosa, se produce otro poco de NADH, que luego tiene un potencial de reducción respetable.
El NADH (omitiendo el NADPH aquí, que es un poco diferente) se canaliza hacia un proceso llamado fosforilación oxidativa que recupera el potencial de reducción en una forma real de energía.
Conceptos básicos: aceptor terminal de electrones
Finalmente, el potencial de reducción del que he estado hablando todo el tiempo es realmente solo electrones, involucrados en enlaces que están "felices" de reaccionar. Pasar el potencial de reducción como he explicado es realmente pasar electrones a enlaces cada vez más estables y menos reactivos. Por eso se llama "cadena de transporte de electrones". Al final de la fosforilación oxidativa, esos electrones caen sobre el O 2 y lo convierten en H 2 O. Es por eso que el O 2 se llama el "aceptor terminal de electrones".
¿Por qué el hidrógeno no puede reemplazar al oxígeno?
Ahora volvamos a por qué el hidrógeno no puede realizar la función del oxígeno en nuestro cuerpo. Usamos la glucosa como nuestra fuente de poder de reducción y el oxígeno como nuestro aceptor terminal de electrones. El O tiene una alta electronegatividad (3,5), por lo que atrae fuertemente a los electrones hacia él. La electronegatividad de H es solo 2,1, por lo que es mucho más débil. El O como aceptor de electrones terminal funciona porque los atrae mucho más fuerte que el H cuando se unen, por lo que un enlace OH es casi como darle un electrón al oxígeno. Para que el hidrógeno gaseoso (H 2 ) realice la misma función, debería ser posible dejar caer electrones sobre el hidrógeno en un enlace donde los atrae mucho más fuerte que el otro compañero. Existen, y tales compuestos se llaman hidruros . Pero el truco es: a diferencia de H 2O, estos son normalmente agentes reductores fuertes, lo que significa que el hidrógeno preferiría no estar en ese enlace. Esta no es una opción factible para la respiración celular, al menos en humanos, porque requiere una gran cantidad de entrada de RP. Convertir oxígeno en H 2 O no requiere mucho, es un aceptor de electrones muy barato.
Espero haber podido poner esto en términos comprensibles. Avísame si necesito aclarar algo.
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*Funciona con otras moléculas además de la glucosa->CO 2 / O 2 ->H 2 O también, muchos procariotas lo hacen y de hecho así es como funcionan las baterías
Diría que si bien no se puede simplemente reemplazar el oxígeno con hidrógeno y esperar que la vida continúe normalmente, es posible que el H 2 proporcione energía a los seres vivos si se encontrara en el medio ambiente en cantidad suficiente. Esto es solo especulación, ya que Armatus señala que el metabolismo no funciona de esta manera en los animales, pero creo que es muy posible que un organismo vivo pueda vivir del H 2 como fuente de energía.
Los extremófilos pueden metabolizar azufre en respiraderos submarinos en lugar de oxígeno.
En el suelo, los metabolismos anóxicos reducen el gas nitrógeno a amoníaco.
La fotosíntesis utiliza la luz para reducir el CO 2 a glucosa. El oxígeno molecular atmosférico es proporcionado completamente por la fotosíntesis, y en un momento hubo poco o nada en la atmósfera y se encontraron seres vivos en todas partes. El metabolismo de la glucosa se produjo después de la aparición del O 2 .
El punto principal es que el H 2 almacena una cantidad razonable de energía incluso si el oxígeno libre no está disponible para impulsar la formación de agua a partir de otro óxido, o incluso de una química más exótica. No hay una razón termodinámica por la que no pueda funcionar y la biología en la tierra ha demostrado ser versátil para obtener energía química donde sea necesario.
Es xenobiología y especulación, pero siento que si los microorganismos evolucionaran en un gigante gaseoso con una atmósfera principalmente de hidrógeno, podrían usar la energía redox del H 2 , que es bastante reactivo incluso sin O 2 presente.
Daniel Standage