Ich habe mich gefragt, was Sauerstoff eigentlich im Körper bewirkt. Ich habe ein paar Antworten auf andere Fragen gesehen, die die Elektronenkette betreffen, und ich bin mir wirklich nicht sicher, was das ist. Also habe ich mich gefragt, was Sauerstoff tut und ob Wasserstoff als Ersatz dasselbe tun könnte?
Nein, Wasserstoff könnte Sauerstoff nicht ersetzen, weil er ganz andere Eigenschaften hat. Der wichtigste ist wahrscheinlich seine Elektronegativität - Sauerstoff "zieht" Elektronen viel "stärker" an als Wasserstoff.
Grundlagen: Reduktionspotential
Sauerstoff ist der sogenannte terminale Elektronenakzeptor der Elektronentransportkette in Eukaryoten. Sie können "Reduktionspotential" als eine Art gespeicherte "Energie" sehen, die Moleküle haben, ähnlich der in Batterien gespeicherten Energie (eigentlich sehr ähnlich). Um diesen Text etwas kürzer zu machen, nenne ich ihn ab jetzt "RP".
Ein vielleicht verwirrendes Detail ist, dass eine Substanz mit niedrigem RP "mehr Energie" hat als eine Substanz mit hohem RP , also ist es die entgegengesetzte Denkweise.
Metabolismus bedeutet ganz allgemein, dass Moleküle mit niedrigem RP (Glukose) oxidiert (verbrannt) werden und sich in Moleküle mit viel höherem RP (CO 2 ) verwandeln. Damit gekoppelt wird ein anderes Molekül mit sehr hohem RP (Sauerstoff) reduziert und wird zu einem Molekül mit etwas niedrigerem RP (H 2 O). (Sie haben das vielleicht schon einmal gehört – es wird Redox-Reaktion genannt.) *
Wichtig ist, dass das durch die Oxidation (Verbrennung) „freigesetzte“ RP größer ist als das durch die Reduktion „aufgenommene“ RP. Der Überschuss geht als Energie zurück - Wärme und Licht, wenn Sie nur die Glukose verbrennen. Das ist ein spontaner Vorgang, das heißt, er geht von alleine - auch wenn es lange dauert , wenn niemand ein Streichholz darauf fallen lässt.
Die Idee des Stoffwechsels ist es, diesen Prozess geschehen zu lassen – aber so viel Energie wie möglich zu nutzen, die er freisetzt. Dies funktioniert, indem es nicht nur brennen gelassen wird, sondern dieser Brennprozess in verschiedenen Phasen abgefangen wird, sodass bei jedem Schritt ein Teil des RP abgenommen und in etwas anderem gespeichert werden kann. Dieses "etwas andere" ist NAD, dem Sie sicher schon einmal begegnet sind. Bei jedem Schritt, bei dem Glukose verbrannt wird, entsteht ein weiteres Stück NADH, das dann ein respektables Reduktionspotential hat.
NADH (wobei NADPH hier weggelassen wird, das etwas anders ist) wird in einen Prozess namens oxidative Phosphorylierung geleitet, der das Reduktionspotential in einer tatsächlichen Energieform wiedergewinnt.
Grundlagen: Terminaler Elektronenakzeptor
Schließlich besteht das Reduktionspotential, von dem ich die ganze Zeit gesprochen habe, wirklich nur aus Elektronen, die an Bindungen beteiligt sind, die "glücklich" reagieren. Das Herunterreichen des Reduktionspotentials, wie ich erklärt habe, ist wirklich ein Herunterreichen von Elektronen in immer stabilere, weniger reaktive Bindungen. Deshalb heißt es "Elektronentransportkette". Am Ende der oxidativen Phosphorylierung fallen diese Elektronen auf O 2 und machen daraus H 2 O. Deshalb wird O 2 als „terminaler Elektronenakzeptor“ bezeichnet.
Warum Wasserstoff Sauerstoff nicht ersetzen kann
Kommen wir nun darauf zurück, warum Wasserstoff die Funktion von Sauerstoff in unserem Körper nicht erfüllen kann. Wir verwenden Glukose als unsere Quelle für Reduktionskraft und Sauerstoff als unseren terminalen Elektronenakzeptor. O hat eine hohe Elektronegativität (3,5), sodass es Elektronen stark anzieht. Die Elektronegativität von H beträgt nur 2,1, ist also viel schwächer. O als terminaler Elektronenakzeptor funktioniert, weil es sie viel stärker anzieht als H, wenn sie sich binden, also ist eine OH-Bindung fast so, als würde man Sauerstoff ein Elektron geben. Damit Wasserstoffgas (H 2 ) dieselbe Funktion erfüllen kann, müsste es möglich sein, Elektronen auf Wasserstoff in einer Bindung fallen zu lassen, wo er sie viel stärker anzieht als der andere Partner. Es gibt sie, und solche Verbindungen werden Hydride genannt . Aber der Haken ist: Im Gegensatz zu H 2O, dies sind normalerweise starke Reduktionsmittel, was bedeutet, dass Wasserstoff in dieser Bindung eher nicht vorhanden sein sollte. Dies ist zumindest beim Menschen keine praktikable Option für die Zellatmung, da viel RP-Input erforderlich ist. Sauerstoff zu H 2 O zu machen, erfordert nicht viel, es ist ein sehr billiger Elektronenakzeptor.
Ich hoffe ich konnte das verständlich ausdrücken. Lassen Sie mich wissen, wenn ich etwas klären muss.
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*Es funktioniert auch mit anderen Molekülen als Glukose -> CO 2 / O 2 -> H 2 O, viele Prokaryoten machen das und so funktionieren Batterien
Ich würde sagen, dass man zwar Sauerstoff nicht einfach durch Wasserstoff ersetzen und erwarten kann, dass das Leben normal weitergeht, aber es ist möglich, dass Lebewesen von H 2 energetisch versorgt werden, wenn es in ausreichender Menge in der Umwelt vorkommt. Dies ist nur eine Spekulation, da Armatus darauf hinweist, dass der Stoffwechsel bei Tieren nicht so funktioniert, aber ich denke, dass es durchaus möglich ist, dass ein lebender Organismus von H 2 als Energiequelle lebt.
Extremophile können in Unterwasseröffnungen eher Schwefel als Sauerstoff metabolisieren.
Im Boden reduziert anoxischer Stoffwechsel Stickstoffgas zu Ammoniak.
Die Photosynthese verwendet Licht, um CO 2 zu Glukose zu reduzieren. Atmosphärischer molekularer Sauerstoff wird vollständig durch Photosynthese bereitgestellt, und zu einem bestimmten Zeitpunkt gab es wenig oder gar keinen davon in der Atmosphäre und es wurden überall Lebewesen gefunden. Der Glukosestoffwechsel kam, nachdem O 2 erschienen war.
Der Hauptpunkt ist, dass H 2 eine angemessene Menge an Energie speichert, selbst wenn kein freier Sauerstoff verfügbar ist, um die Bildung von Wasser aus einem anderen Oxid oder einer noch exotischeren Chemie voranzutreiben. Es gibt keinen thermodynamischen Grund, warum es nicht funktionieren könnte, und die Biologie auf der Erde hat sich als vielseitig erwiesen, um chemische Energie dorthin zu bringen, wo sie benötigt wird.
Es ist Xenobiologie und Spekulation, aber ich denke, wenn sich Mikroorganismen auf einem Gasriesen mit einer hauptsächlich aus Wasserstoff bestehenden Atmosphäre entwickeln würden, könnten sie die Redoxenergie von H 2 nutzen , das sogar ohne Anwesenheit von O 2 ziemlich reaktiv ist .
Daniel Steh