Le reazioni redox in biochimica assumono una particolare importanza e spesso avvengono grazie all’azione di enzimi come le ossidoreduttasi.
Un organismo vivente ha bisogno di energia per sopravvivere e per svolgere determinate funzioni; l’energia deriva dall’ossidazione dei metaboliti che sono ridotti in una serie di reazioni in cui l’ossigeno è l’accettore finale di elettroni.
L’elettrochimica gioca pertanto un ruolo fondamentale nelle molteplici reazioni biologiche come, ad esempio la fermentazione lattica che prende le mosse dall’acido piruvico, prodotto terminale della glicolisi:
piruvato + NADH + H+ → lattato + NAD+
La reazione di ossidoriduzione è data da due semireazioni:
piruvato + 2 H+ + 2 e– → lattato ( semireazione di riduzione)
NADH + H+ → NAD+ +2 H+ + 2 e– (semireazione di ossidazione)
L’ NAD+ prodotto dalla reazione viene poi sfruttato in altre vie metaboliche per ottenere ATP. Ad ogni semireazione di riduzione corrisponde un potenziale standard di riduzione. Si riportano, nella tabella seguente i potenziali normali di riduzione più comuni in chimica biologica
Tabella
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Potenziali standard di riduzione |
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Semireazione |
E° (Volt) |
| O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O |
+0.816 |
| SO42- + 2 H+ + 2 e– → SO32- + H2O |
+0.480 |
| Fumarato + 2 H+ + 2 e– → succinato |
+0.030 |
| Acetaldeide + 2 H+ + 2 e– → etanolo |
– 0.163 |
| Ossalacetato + 2 H+ + 2 e– → malato |
– 0.175 |
| FAD + 2 H+ + 2 e– → FADH2 |
– 0.219 |
| NAD+ + H+ + 2 e– → NADH |
– 0.320 |
| Piruvato + CO2 + 2 H+ + 2 e– → malato |
– 0.330 |
Quando le reazioni elencate sono considerate da destra a sinistra, ovvero nel senso dell’ossidazione, il segno che assume E° è opposto a quello della riduzione.
Esempio
Consideriamo, ad esempio, l’ossidazione di NADH con l’ossigeno; l’ossigeno ossida l’NADH a NAD+ quindi va considerata la semireazione:
NADH → NAD+ + H+ + 2 e– il cui potenziale è uguale in valore assoluto a quello della semireazione di riduzione ma ha segno opposto pertanto E° = + 0.320
La semireazione di riduzione dell’ossigeno è quella indicata in tabella:
O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O il cui potenziale è + 0.816 V
Dopo aver moltiplicato per 2 la prima delle due semireazioni in modo che gli elettroni scambiati siano uguali otteniamo:
2 NADH → 2 NAD+ + 2 H+ + 4 e–
Sommiamo tale semireazione a quella di riduzione dell’ossigeno e, dopo aver fatto le opportune semplificazioni, si ha:
2 NADH + O2 + 2 H+ → 2 NAD+ + 2 H2O
Il potenziale della reazione è dato dalla somma dei potenziali delle semireazioni: E = + 0.320 + 0.816 = + 1.14 V.
Dal valore positivo del potenziale della reazione si comprende che l’ossidazione di NADH da parte dell’ossigeno è un processo spontaneo. La reazione è, tuttavia, molto lenta quindi affinché essa avvenga è necessario un enzima che agisca da catalizzatore.
Consideriamo ora la reazione: succinato + FAD → fumarato + FADH2. Valutiamo, utilizzando i dati presenti in tabella, se la reazione avviene spontaneamente.
Dai dati presenti vediamo che le due semireazioni sono:
FAD + 2 H+ + 2 e– → FADH2 (semireazione di ossidazione) per la quale E° = – 0.219 V
succinato → Fumarato + 2 H+ + 2 e– ( semireazione di ossidazione) per la quale E° = – 0.030
Sommando le due semireazioni otteniamo che il potenziale della reazione è pari a – 0.219 – 0.030 = – 0.249 V e pertanto la reazione non è spontanea.