Warum ist Fluor oder Neon nicht der letzte Elektronenakzeptor bei der Zellatmung?

Ich studiere Chemie und lerne etwas über periodische Trends. Ich weiß, dass bei der Zellatmung (vieler Organismen) Sauerstoff aufgrund seiner hohen Elektronegativität als letzter Elektronenakzeptor dient.

Bei Anwendung der periodischen Trends ist Fluor jedoch elektronegativer als Sauerstoff und das Edelgas Neon sogar noch elektronegativer als Fluor. Warum ist keiner von beiden der endgültige Elektronenakzeptor? Ich weiß, dass in manchen Organismen der letzte Elektronenakzeptor Schwefel ist. Aber ich habe noch nie gehört, dass es Fluor oder Neon ist. Wieso den?

Antworten (5)

Einer der Hauptgründe, warum die moderne(!) Biologie Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet, ist die Verfügbarkeit.

Vor etwa 2,45 Milliarden Jahren wurde Sauerstoff (O 2 ) begann sich in der Atmosphäre aufzubauen (was zu diesem Zeitpunkt tatsächlich viele Lebensformen/Bakterien abtötete). Seitdem konnten sich sauerstoffverbrauchende Lebensformen etablieren. Davor verwendeten die meisten Organismen wahrscheinlich hauptsächlich (elementaren) Wasserstoff als Elektronenakzeptoren.

Abgesehen davon, dass es in der Atmosphäre nicht wirklich verfügbar ist, gibt es noch andere Gründe, warum Fluor oder Neon keine guten biologischen Elektronenakzeptoren sind:

  • Während elementares Fluor (F 2 ) ist in der Tat extrem elektronegativ, das macht es so reaktiv, dass es:
    a) nicht durch die Biologie kontrolliert werden konnte [die Reaktivität von Sauerstoff ist der Grund, warum es überhaupt so viele Bakterien abgetötet hat] und
    b) einfach nicht auftritt (oder zumindest verbleiben) im elementaren Zustand in der Natur (es gibt kein messbares F 2 in unserer Atmosphäre ).
  • Neon (und andere Edelgase) sind theoretisch auch ziemlich elektronegativ, eigentlich so sehr, dass sie niemals ohne ihre Elektronen auftreten und daher überhaupt nicht reagieren.

*Es ist irgendwie möglich, Edelgasverbindungen zu bilden , aber es erfordert sehr spezifische chemische Reaktionsbedingungen, die meistens unter kontrollierten, menschengemachten Bedingungen ablaufen (und für biologische Lebensformen nicht gut sind).

Ich vermute, ein weiterer Grund ist die einfache Verfügbarkeit. Sauerstoff ist das häufigste Element in der Erdkruste, Fluor ist relativ selten (> 0,1 %) und in Verbindungen fest gebunden.
Es gibt Fälle von Fluorgas in der Natur (in bestimmten Mineralien), aber sie sind ziemlich selten. YouTube und Pressemitteilungen 1 , 2
Beachten Sie, dass Sauerstoff den Organismen lange vor der GOE nur in gebundener Form zur Verfügung stand .
Ja, versuchen Sie, F2 zu atmen, das wird keinen Spaß machen.

Verfügbarkeit und Anwendbarkeit.

Verfügbarkeit.

Am Anfang war CO2. Es war reichlich in der Atmosphäre und später in den Ozeanen vorhanden.

Fluor und Neon waren es nicht, und so entwickelte sich die Atmung um das herum, was verfügbar war (und ist).

Ref.: Paeloklimatologie / Geschichte der Atmosphäre .

Anwendbarkeit.

Der andere Punkt bei Sauerstoff ist, dass er in beide Richtungen ziemlich gut funktioniert. Chloroplasten können CO2 und H2O mit etwas Sonnenlicht leicht in Glukose und O2 aufspalten. Hämoglobin kann sowohl O2 als auch CO2 mit nur einem kleinen Unterschied im Partialdruck kombinieren. Mitochondrien können den Zitronensäurezyklus durchlaufen, ohne dabei zerstört zu werden.

Sobald Fluor ein anderes Atom ergriffen und ein Molekül gebildet hat, wird es für einen Organismus ziemlich schwierig sein, es wieder loszulassen, und wenn dies der Fall ist, wird das Fluor mit irgendetwas reagieren wollen, wirklich mit irgendetwas , ob das gut für den Organismus ist oder nicht.

Auf der anderen Seite will Neon mit nichts reagieren .

Während also chemisch gesehen ein Punkt für das energetischere Oxidationsmittel gemacht werden muss, ist die Evolution / ein Organismus nicht nur am Energiegehalt "interessiert". Die Substanz muss verfügbar sein, und der Prozess muss einigermaßen nachhaltig sein. Sauerstoff hat diese Kriterien erfüllt, Fluor und Neon nicht.

Sogar Raketenwissenschaftler, die wirklich nach den energiereichsten Verbindungen suchen, die sie in die Finger bekommen können, haben die Idee von Fluor als Treibmittel fallen gelassen, weil es in ungebundener Form nicht sicher zu handhaben ist. Da ist eine Lektion drin.

Verfügbarkeit ist nicht das grundlegende Problem bei Neon. Selbst wenn die Hälfte der Atmosphäre Neon wäre, würden wir es nicht zum Atmen verwenden.
@DavidRicherby: Dasselbe könnte man über Fluor sagen. Beide Faktoren – Nichtverfügbarkeit und chemische Ungeeignetheit – treffen zu. Beides würde als Erklärung für sich alleine reichen.
Ich denke, das Beispiel der Raketenwissenschaftler ist fehlerhaft, weil diese Raketenwissenschaftler zufällig zu einem biologischen System gehören, das sich unter Verwendung von Sauerstoff entwickelt hat. Das Nachdenken über die Tatsache der Evolution unter Sauerstoffverfügbarkeit sagt nicht aus, dass die Evolution unter vorherrschender Fluorverfügbarkeit nicht zu (anderen, funktionierenden) biologischen Systemen geführt haben könnte. Um auf ein anderes Beispiel hinzuweisen: H₂O ist wirklich ein sehr aggressives und ätzendes Lösungsmittel. Aber wir sind perfekt darauf eingestellt, damit umzugehen und es zu verwenden, und daher ist es für uns in Ordnung, während es zum Beispiel H₂S nicht ist. Aber schon, wenn Sie etwas Schwefeloxidierendes fragen würden ...
... Bakterien, ihre "Sichtweise" wird sich erheblich unterscheiden.
@cbeleites: Was uns einerseits direkt zurück zur "Verfügbarkeit" bringt - H2O war lange vor dem Leben auf diesem Planeten, also hat sich das Leben entwickelt, um H2O zu tolerieren. Überwiegende "Verfügbarkeit" von Fluor würde eine Fülle von Fluorverbindungen bedeuten , und Sie würden immer noch vor dem Problem stehen, diese für einen Organismus aufzubrechen, um tatsächlich etwas mit dem Fluor zu tun (das den Organismus nicht zerstört). Ich bin offen für eine Demonstration eines brauchbaren "Atmungszyklus", der dem Photosynthese- / Zitronensäurezyklus entspricht und mit Fluor arbeitet.
@DevSolar: natürlich. Als moderner Chemiker würde ich zunächst vermuten, dass Zellwände aus Teflon HF-Lösung enthalten. Das heißt, obwohl ich natürlich nicht sagen kann, wie oder ob sich die Dinge entwickelt hätten, würde ich erwarten, dass eine auf Fluor basierende Biologie insgesamt "rauer" ist (in einem ähnlichen Sinne wie unsere auf Sauerstoff basierende Biologie eine rauere Chemie verwendet als die schwefelbasierten (heutigen) Nischenbiologiesysteme), aber dann wären die ganzen Organismen wahrscheinlich "fluorierter" und könnten somit mit Fluor/HF fertig werden. (Außerdem ist einerseits der Unterschied in der Elektronegativität zwischen Sauerstoff und Fluorid geringer
zwischen Schwefel und Sauerstoff, aber andererseits gibt es den Schritt von zweiwertig zu einwertig, was ein großer Unterschied wäre). Auch kann die Aggressivität bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden, da wir möglicherweise Systeme betrachten, die bei viel kälteren Temperaturen arbeiten: 20 °C ist der Siedepunkt für HF, der Schmelzpunkt liegt unter -80 °C. Das Absenken um einige 10 °C kann die Reaktionen auf ein angemessenes Tempo verlangsamen. Wer weiß? Zusammenfassung: Eine auf HF/F₂ basierende Biologie würde sicher ganz anders aussehen als „unsere“ Biologie. Das heißt aber nicht, dass es nicht funktionieren kann.
@cbeleites: ... aber nicht auf der Erde oder irgendetwas, das ihr auch nur annähernd ähnlich ist. Also ... was die Antwort auf die Frage des OP betrifft, gibt es etwas, das bearbeitet werden müsste?
@DevSolar: nein, sorry: Ich mag deine Antwort - keine Notwendigkeit zu bearbeiten. Der Punkt meines Kommentars ist nur, dass der außerirdische Raketenwissenschaftler (oder Verbrennungsmotoreningenieur) vom HF-Planeten Fluor für ein völlig normales Oxidationsmittel halten könnte ... (und möglicherweise Probleme hat, wenn das bisschen H₂O, das sie haben, in die HF gelangt in ihrem System...)

Der Atomradius von Fluor ist nur geringfügig größer als der von Kohlenstoff. Wenn ein Fluoratom an ein Kohlenstoffatom bindet, das Teil eines Kohlenstoffrückgrats ist, bedeckt das Fluoratom nicht nur die CF-Bindung, sondern auch die angrenzenden CC-Bindungen. Dies macht es biologischen Enzymen unmöglich, auf diese Bindungen zuzugreifen, um sie zu brechen, und deshalb sind fluorierte Verbindungen biologisch inert.

Aus diesem Grund fluoridieren wir Wasser und Zahnpasta; Bakterien haben keine Enzyme, die mit Fluor gebildeten Zahnschmelz abbauen können! Das ist auch der Grund, warum Teflon (sich wiederholende Einheiten von -CF 2 -) sind nicht biologisch abbaubare, aber gesättigte Fettsäuren (Wiederholungseinheiten von -CH 2 -) sind leicht biologisch abbaubar.

Alle biologisch genutzten Elemente haben ökologische Kreisläufe, in denen sie für andere Zwecke wiederverwendet werden. Da fluorierte Verbindungen nicht abgebaut werden können, würde ein solcher ökologischer Kreislauf schnell zum Erliegen kommen. Daher hat Fluor gegenüber anderen Elementen einen evolutionären Nachteil.

Ich stimme den anderen Antworten zu, dass Neon kein Elektronenakzeptor sein kann, da es sich nicht zu Verbindungen bildet. Ich stimme ihrem „Sauerstoff zuerst“-Argument nicht zu; Die Evolution kümmert sich nicht darum, welche Mechanismen sich zuerst entwickeln. Wenn ein Fluor-Stoffwechselweg effektiver gewesen wäre als der Sauerstoff-Weg, würde sein Weg schließlich den früher entwickelten Weg übertreffen. Darüber hinaus gibt es viele Spurenelemente (z. B. Selen), die vom Leben genutzt werden.

Die Evolution kümmert sich ein wenig darum, welcher Mechanismus sich zuerst entwickelt: Sie neigt dazu, ein lokales Optimum zu suchen, kein globales Optimum. Wenn die Vorteile eines Sauerstoffwegs und eines Fluorwegs ähnlich sind und beide einen großen Vorteil gegenüber dem haben, was vor ihnen kam, wird die Evolution wahrscheinlich an dem hängen bleiben, der sich zuerst entwickelt.
@Mark Stimmt, aber dann bekommt man so etwas wie die Evolution der Photosynthese, und alles gerät weltweit aus dem Gleichgewicht. Es ist nicht unvorstellbar, dass dasselbe mit etwas wie Fluor passieren könnte, wenn es verfügbar wäre . Das Verfügbarkeitsargument ist viel stärker - unabhängig vom Nutzen kann das Leben es nicht nutzen, wenn es keine Quelle dafür gibt. Die Anteile von Elementen im Leben sind ziemlich nah an den Anteilen biologisch verfügbarer Elemente (zB einschließlich des „keine Enzyme“-Arguments) in den Böden und Ozeanen der Erde.

Neon funktioniert einfach nicht als Elektronenakzeptor. Es ist so inert, dass derzeit überhaupt keine Neon-Verbindungen bekannt sind.

Fluor würde prinzipiell funktionieren, ist aber im Vergleich zu Sauerstoff selten und durch seine starke Reaktivität in elementarer Form ein sehr gefährlicher Stoff. Es scheint also sehr natürlich, dass das Leben Sauerstoff und nicht Fluor wählt.

Natürlich ist Sauerstoff auch eine furchtbar gefährliche Substanz – nur dass die Evolution das Leben geschaffen hat, das damit fertig wird. Selbst dann ist es ein Balanceakt und Sauerstoff (und Sauerstoffverbindungen) sind für einige Zelltode und Krebsgeschwüre verantwortlich: P Das große Sauerstoffereignis tötete fast alles Leben auf der Erdoberfläche / in den Ozeanen. Aber zugegeben, der Umgang mit Fluor wäre noch schlimmer und vielleicht unmöglich (unter Standarddruck und -temperatur).

Der Grund ist, dass freies Fluor in der Natur nicht vorkommt und Neon ein Edelgas ist. Ich würde davon ausgehen, dass Sauerstoff der einzige freie und reichlich vorhandene Elektronenakzeptor in unserer Biosphäre ist.

1) Fluor reagiert bis auf wenige Ausnahmen (einige Edelgase) mit jedem Element und wird somit sofort gebunden, auch wenn es ständig irgendwo produziert wird.

2) Aufgrund seiner Elektronegativität ist die Energie zur Freisetzung von Fluor aus Komplexen sehr hoch, so dass die Effizienz der Photosynthese beschissen ist.

3) Unter der Annahme, dass es eine Atmosphäre aus Fluorgas gäbe, könnte auf Kohlenstoff basierendes Leben nicht existieren, da Fluor bereits unterhalb der Raumtemperatur mit Kohlenstoff reagiert.

Der Kommentar unten, der besagt, dass Fluor selten ist, ist schlichtweg falsch. Es ist nicht so häufig wie Sauerstoff, muss es aber nicht sein. Kohlenstoff ist zB auch selten im Vergleich zu Sauerstoff. Das Hauptproblem ist die mangelnde Zugänglichkeit aufgrund der Stabilität und der hohen Energie, die erforderlich ist, um es freizusetzen, verbunden mit der Tatsache, dass es jedes Protein zerstören würde. Ein geeigneter Elektronenakzeptor muss metastabil sein und mit kohlenstoffbasiertem Leben koexistieren können.

Freier Sauerstoff existierte auch nicht in der Natur, als sich das erste Leben bildete. Es musste durch Photosynthese freigesetzt werden. Wichtiger ist, dass Fluor selbst in Verbindungen sehr selten ist, verglichen mit etwas wie Sauerstoff. Während seine Menge ausreichen würde, wenn es eine Mikronährstoffrolle hätte, reicht es sicherlich nicht aus, um der letzte Elektronenakzeptor zu sein. Und dann gibt es noch zig andere Gründe, warum Fluor nicht funktionieren würde, wie die Tatsache, dass es (und seine Verbindungen) sich nicht in Wasser auflösen ...
Wie auch immer, freies Fluor hat nie existiert und war daher nie eine Option. Es wird auch nie eine Option sein, denn selbst wenn es von Pflanzen produziert würde, würde es sofort mit etwas anderem reagieren. Dies bedeutet, dass es niemals ein Akzeptor für freie Elektronen sein wird. Nirgendwo im Universum.
Diese Quellenanfrage ist albern.
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