¿Por qué no respiramos nitrógeno mientras hace la mayor parte del aire?
¿Por qué siempre tendemos a respirar oxígeno, no hidrógeno y nitrógeno?
Los animales usan el oxígeno como fuente de energía química porque el oxígeno gaseoso puede reaccionar con muchos otros compuestos para formar óxidos, que liberan energía y ocurren espontáneamente.
Tanto el carbono como el nitrógeno pueden reaccionar con el oxígeno, pero por lo demás son bastante inertes. Entonces, de todos los gases en el aire presentes en más de una fracción de un porcentaje, el oxígeno es el único que podemos usar como energía.
El hidrógeno (y el azufre) son posibles sustitutos del oxígeno en el papel de fuente de energía redox, pero normalmente son componentes bastante pequeños de nuestro entorno. En otro planeta bien podrían ser la base del biometabolismo.
Por supuesto, el hecho de que las plantas puedan usar dióxido de carbono para fijar carbono es un caso diferente de biología que usa un gas del aire. ¡Es la cualidad definitoria de las plantas!
La energía del uso de CO2 es endotérmica, requiere aporte de energía. Tienen que usar la luz solar para obtener la energía para utilizar esta energía y es muy costoso energéticamente. Los animales pueden moverse y crecer porque usan oxígeno mientras comen plantas.
Yo diría que "respiramos" todos esos gases. El aire que inhalamos (a nivel del mar) tiene un 78% de N , 20,9% O , 1% de argón y porcentajes menores de CO , neón, metano, etc. Así que todos esos gases van a los pulmones con cada respiración.
Tomamos oxígeno preferentemente porque tenemos hemoglobina para unir O . Cuando la hemoglobina se une al oxígeno, altera el equilibrio y atrae más oxígeno a través de la membrana alveolar. Esto es ayudado por la circulación pulmonar que lleva la sangre. Aquí hay una demostración del proceso de difusión.
El nitrógeno es mucho menos reactivo que el oxígeno. De hecho, si no he olvidado por completo mis cursos de química de hace mucho tiempo, la mayoría de las reacciones químicas que involucran N2 consumen energía. Por lo tanto, se obtienen compuestos de nitrógeno producidos por los rayos, en los motores de los automóviles y en otros lugares donde hay mucha energía de sobra.
Las reacciones de oxígeno, OTOH, producen energía. Podrías pensar en lugar de fuego: la mayoría de las cosas orgánicas se quemarán (si se secan), pero solo se combinan con el oxígeno del aire, no con el nitrógeno.
PD: De hecho, muchos compuestos de nitrógeno requieren tanta energía para crear que son explosivos. Nitrato de amonio, nitroglicerina, trinitrotoluleno (TNT), incluso el nitrato de potasio (salitre) utilizado para fabricar pólvora.
El enlace en las moléculas de oxígeno es de alta energía y está listo para experimentar una reacción que produce energía con otras moléculas como el azúcar.
El enlace en el nitrógeno no es químico útil para nosotros ... otros organismos usan energía para "fijar" el nitrógeno para hacer compuestos de nitrógeno ricos en energía que podemos usar .
Las otras respuestas parecen perder el papel del oxígeno en la fosforilación oxidativa, como organismo con metabolismo aeróbico, usamos oxígeno para su electronegatividad. Básicamente, a medida que descomponemos la glucosa, la energía se libera en forma de electrones libres, estos son "transportados" para su uso en la fosforilación oxidativa para crear nuevo ATP, que es nuestra principal forma de almacenamiento de energía. El oxígeno acepta con entusiasmo estos electrones libres en el último paso de la fosforilación oxidativa y se une con H+ para formar H 2 O. Ver aquí .
Entonces, sin oxígeno, habría una acumulación de electrones, deteniendo la fosforilación oxidativa y obligándonos a descomponer la glucosa de manera anaeróbica (menos eficiente).
Hay dos partes en esta respuesta, y varias respuestas han abordado uno o ambos aspectos, pero pensé que lo pondría todo en un solo lugar.
1) Usamos oxígeno para un propósito que el nitrógeno es químicamente inútil para
2) Si bien hay un propósito diferente para el que podríamos querer usar nitrógeno, es algo que es difícil de evolucionar (solo las bacterias lo han hecho) y podemos arreglárnoslas sin él.
Explicaciones:
1) Usamos oxígeno porque nuestro metabolismo lo usa como energía. Nuestro metabolismo obtiene energía química de la descomposición de moléculas de carbono complejas; esto no sucede por sí solo y se necesitan moléculas muy reactivas para interactuar con esas complejas moléculas de carbono y descomponerlas. Todos los organismos hacen esto paso a paso, usando sucesivos "aceptores de electrones" para básicamente quitarles electrones a moléculas cada vez más simples y así descomponerlas. El oxígeno molecular es la molécula más reactiva y el aceptor de electrones más codicioso que existe, y permite que los organismos que lo utilizan obtengan la mayor cantidad de energía posible de un carbohidrato determinado. Por eso es tan útil la respiración aeróbica, y para eso usamos el oxígeno. El nitrógeno molecular tiene propiedades químicas completamente diferentes; no es tan electronegativo (es decir codiciosos de electrones) en absoluto. Hay otras moléculas que pueden usarse como aceptores de electrones, y se usan en varias formas de respiración anaeróbica: nitrato, sulfato, dióxido de carbono... pero el nitrógeno molecular no es una de ellas.
Para varios tipos de respiración anaeróbica, consulte:
https://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_metabolism
2) HAY un propósito para el cual uno podría usar nitrógeno molecular, que es usarlo para construir moléculas basadas en nitrógeno de las que depende nuestro cuerpo, como el ADN, el ARN y las proteínas, que básicamente hacen todo en un organismo vivo. Ningún organismo utiliza nitrógeno molecular como fuente de estos; es mucho más fácil usar compuestos de nitrógeno orgánico como nitratos y amoníaco. ¡Puede parecer una tontería que tales compuestos sean tan limitantes, cuando el nitrógeno constituye la mayor parte de la atmósfera! Este es un problema menor para los carnívoros, ya que obtenemos todas nuestras necesidades de nitrógeno al comer animales llenos de nitrógeno, pero es un gran problema para las plantas. La necesidad de tales compuestos (y, en menor medida, fosfatos) es la razón por la que la agricultura necesita fertilizantes. Entonces, ¿por qué muy pocos organismos pueden descomponer el nitrógeno molecular? Porque es una molécula muy estable; si tu' Si has hecho química, es posible que sepas que los dos átomos de nitrógeno en la molécula de nitrógeno están conectados por un enlace triple, que es muy fuerte y difícil de romper. Esta puede ser una gran razón por la que el metabolismo para romper ese vínculo evolucionó solo en las bacterias, y todos los eucariotas se las arreglan usando las bacterias mismas (plantas fijadoras de nitrógeno), absorbiendo organismos llenos de nitrógeno (carnívoros, plantas carnívoras, es la razón por la que re carnívoro!) o sobreviviendo con el nitrógeno orgánico que se produce naturalmente en el suelo gracias a las bacterias fijadoras de nitrógeno.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fijación_de_nitrógeno
Aparte, el fertilizante que producen los humanos utiliza el proceso Haber, que convierte el nitrógeno molecular de la atmósfera en amoníaco. Si miras la página de Wikipedia por cierto te darás una idea de lo difícil que es romper ese triple vínculo, entre los catalizadores y las altas temperaturas y presiones... Pero a través de ese proceso podrías argumentar que la humanidad como un especies "respiran" nitrógeno.
https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
Básicamente, tl; dr:
1) no necesitamos respirar nitrógeno
2) si lo hiciéramos, nuestros cuerpos aún no lo harían porque es muy difícil hacerlo; ningún eucariota lo hace, excepto quizás los propios humanos, pero solo a través de la tecnología.
Como han señalado otros, respiramos nitrógeno atmosférico pero no podemos hacer nada útil con él .
El problema es que el N 2 con triple enlace es muy poco reactivo y casi todos los animales y plantas no pueden convertirlo en nada más. Los humanos no tienen la capacidad de reducirlo a NH 3 , por ejemplo, pero sería genial si pudiéramos.
Todas las formas de vida necesitan nitrógeno. Es necesario hacer proteínas y ADN, por ejemplo. También es muy abundante. El N 2 constituye aproximadamente el 78 % del aire por volumen , pero se encuentra en una forma (N 2 ) que la mayoría de las formas de vida no pueden utilizar. Y ahí radica el problema: para utilizar el nitrógeno atmosférico, es necesario 'fijarlo', es decir, convertirlo en una forma disponible para la transformación metabólica 'normal'. Generalmente se entiende que esto significa que el N 2 debe convertirse en NH 3 . Muy pocas formas de vida tienen la capacidad de hacer esto. La 'fijación' de N 2 es también un gran problema industrial.
Tal como lo describe Rozenn Keribin , el primer proceso artificial para "fijar" con éxito el N 2 es el proceso Haber-Bosch , que se desarrolló a principios del siglo XX y utiliza un catalizador metálico y altas presiones para lograr la siguiente transformación:
N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3
Este proceso sigue siendo la principal fuente industrial de NH 3 en la actualidad y es un 'pilar' de la industria de los fertilizantes. Durante la Primera Guerra Mundial, también fue una fuente de NH 3 para la producción de municiones por parte de Alemania. Por su trabajo en esta área, Haber recibió el premio Nobel de Química de 1918, un honor (controvertido) que seguramente ha resistido la prueba del tiempo.
La fijación biológica de N 2 es una historia asombrosa , y restringiré la discusión a una enzima asombrosa: la nitrogenasa . Esta enzima cataliza la reducción dependiente de ATP de N 2 a NH 3
(No me ocuparé de las plantas leguminosas, que también pueden 'fijar' el N 2 usando una relación simbiótica con bacterias en los nódulos de la raíz, ya que no sé lo suficiente al respecto).
En la naturaleza, [la] capacidad de fijar N 2 está restringida a un grupo pequeño pero diverso de microorganismos diazotróficos que contienen la enzima nitrogenasa (Burgess & Lowe, 1996)
Un tipo de nitrogenasa (que contiene molibdeno) cataliza la siguiente reacción:
N 2 + 8 H + + 8 e - + 16 ATP → 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 P i
Analicemos esto: ¡es una reducción de ocho electrones que usa 16 ATP solo para hacer dos NH 3 a partir de un N 2 !
Las nitrogenasas se pueden clasificar en 3 tipos generales según el contenido de metal: nitrogenasa de molibdeno, nitrogenasa de vanadio y nitrogenasa solo de hierro. (Todas las formas contienen hierro).
La fijación biológica de nitrógeno fue descubierta por Martinus Beijerinck yt Hermann Hellriegel . Además, Beijerinck descubrió que la enfermedad del mosaico del tabaco era causada por un virus. Ninguno recibió un premio Nobel.
Árbitro
Burgess, B, K. & Lowe, DJ (1996) Mecanismo de Molibdeno Nitrogenasa Chem. Rev. 96 , 2983-3011
Básicamente, cuando el aire llena nuestros alvéolos, por el proceso de difusión, solo el oxígeno del aire se lleva al torrente sanguíneo, mientras que los otros gases junto con el CO2 de desecho se exhalan. Así que respiras nitrógeno, pero el cuerpo lo exhala tal cual. Todo el proceso del sistema respiratorio se explica aquí con diagramas.
JM97
John