Bilanciamento delle reazioni redox: la chiave del metabolismo cellulare

Il bilanciamento delle reazioni redox permette di capire al meglio ciò che avviene durante i processi del metabolismo cellulare.

Questo è il processo attraverso cui è possibile equilibrare il numero di elettroni guadagnati e persi dalle molecole coinvolte nella reazione.

Per intenderci: cerchiamo di bilanciare gli atomi di ossigeno e idrogeno presenti nella reazione, in modo che il numero di elettroni acquisiti e ceduti sia uguale.

Negli episodi precedenti abbiamo fatto un’introduzione al metabolismo cellulare e ci siamo presentati con uno dei suoi protagonisti (la molecola di ATP). In questo articolo vediamo da vicino le reazioni di ossidazione e riduzione.

Sappiamo che di solito a questo punto c’è una frase simpatica o cose simili, però (sinceramente) a chi viene da scherzare sulle reazioni redox?

Come chiedere una battuta sul sodio, dai… Qualcuno conosce qualche battuta sul sodio?

Ve lo dico io: Na 😂 (🥶)

Se state ancora leggendo siete delle persone divertenti e possiamo essere amici e scoprire quanto possono essere simpatiche le reazioni di ossidoriduzione.

A primo impatto il bilanciamento redox può sembrare complicato, ma una volta compresi i principi di base diventa piuttosto semplice e permette di non far esplodere le cellule 💥⚛️ (meno greve di così, ma ci siamo capiti).

Ossidazione e riduzione sono entrambi processi che coinvolgono la perdita o il guadagno di elettroni da parte di una molecola. Quando una molecola perde elettroni, viene ossidata, mentre se ne guadagna viene ridotta.

Metabolismo cellulare e ossidoriduzioni

Molte reazioni del metabolismo cellulare sono reazioni di ossidoriduzione, in cui abbiamo:

• un agente riducente (si ossida), cioè l’elemento che perde uno o più elettroni;
• un agente ossidante (si riduce), cioè è l’elemento che acquista uno o più elettroni.

Nelle reazioni biologiche spesso è più semplice pensare in termini di acquisizione o perdita di atomi di idrogeno.

Qui c’è un fantastico video dal nostro canale YouTube dedicato all’argomento e siamo sicuri ti aiuterà ad avere le idee più chiare sui processi biochimici delle cellule.

Sul nostro canale trovi anche la playlist completa per capire al meglio le basi del metabolismo cellulare.

https://youtu.be/W7qihfErkVk

Dunque: una molecola è ossidata quando perde atomi di idrogeno, al contrario, è ridotta quando li acquista (più è ridotta e maggiore energia andrà a immagazzinare nei suoi legami).

Infatti, le reazioni di ossido-riduzione vengono catalizzate da enzimi che lavorano insieme a specifici coenzimi. Di questi ultimi i più importanti sono il NAD (nicotinammide adenin dinucleotide) e il FAD (flavin adenin dinucleotide).

Entrambi partecipano alle reazioni biochimiche del metabolismo cellulare in due forme chimicamente distinte.

Il NAD in forma:

• ossidata (NAD⁺), con minore energia;
• ridotta (NADH + H⁺), ricca di energia grazie a due protoni e due elettroni in più.

Il FAD in forma:

• ossidata (FAD⁺);
• ridotta (FADH₂), che accetta due atomi di idrogeno.

In entrambi i casi ragioniamo in termini di guadagno o perdita di atomi di idrogeno, che forniscono più o meno energia alle forme dei coenzimi.

Inoltre, anche la produzione e il consumo di energia nelle cellule (sintesi delle molecole di ATP) ha alla base una serie di reazioni di ossidazione e riduzione. Sia durante la fosforilazione ossidativa, sia nel corso dell’idrolisi è necessario un bilanciamento redox per equilibrare il numero di elettroni acquisiti e ceduti dalle molecole coinvolte nelle reazioni.

Bilanciamento redox: il metodo delle semireazioni

Il metodo delle semireazioni è un metodo utile per bilanciare il trasferimento di elettroni nelle reazioni di ossidoriduzione.

Le semireazioni sono le semplificazioni delle equazioni redox in cui vengono separati i reagenti che si ossidano e quelli che si riducono.

Per esempio, per la reazione redox:

Cu + Ag⁺ → Cu²⁺ + Ag

Possiamo scrivere due semireazioni separate, una per l’ossidazione e una per la riduzione.

Ossidazione: Cu → Cu²⁺ + 2 e^–
Riduzione: Ag⁺ + e^– → Ag

In questo modo, abbiamo separato le due reazioni che avvengono contemporaneamente e abbiamo indicato in modo esplicito il trasferimento di elettroni.

La semireazione di ossidazione rappresenta il processo in cui il rame (Cu) perde due elettroni per formare il catione rameico (Cu2+), mentre la semireazione di riduzione rappresenta il processo in cui l’argento (Ag+) guadagna un elettrone per formare l’atomo di argento (Ag).

A questo punto possiamo bilanciare le semireazioni separatamente, equilibrando il numero di atomi e di cariche sul lato dei reagenti e sul lato dei prodotti.

Una volta che abbiamo equilibrato le semireazioni, possiamo combinare le due equazioni bilanciate in modo da eliminare gli elettroni presenti su entrambi i lati e ottenere il bilanciamento redox.

Per esempio, per la reazione redox sopra riportata, la semireazione di ossidazione può essere bilanciata moltiplicando per 2. Invece, la semireazione di riduzione può essere moltiplicata per 1.

In questo modo otteniamo:

2Cu → 2Cu²⁺ + 4 e^–
2Ag⁺ + 2 e^– → 2Ag

Combinando le due semireazioni equilibrate, otteniamo un’equazione dal perfetto bilanciamento redox:

2Cu + 2Ag⁺ → 2Cu²⁺ + 2Ag

Ossidare e ridurre in ambienti acidi e basici

l metodo delle semireazioni è molto utile per fare il bilanciamento redox sia in ambiente acido, sia in ambiente basico.

In entrambi i casi scriviamo l’equazione redox non bilanciata e separiamo i reagenti che si ossidano da quelli che si riducono.

Dopo, tracciamo le semireazioni di ossidazione e di riduzione ed equilibriamo il numero di atomi e di cariche. A questo punto moltiplichiamo ogni semireazione per un fattore in modo che il numero di elettroni ceduti sia uguale al numero di elettroni ricevuti.

Sommando le due semireazioni moltiplicate insieme (ed eliminando gli elettroni) possiamo controllare che la carica sia bilanciata e che il numero di atomi sia uguale.

Ora, in ambiente acido, possiamo:

• aggiungere ioni H⁺ in modo da bilanciare il numero di atomi di idrogeno;
• aggiungere ioni OH^– in modo da bilanciare gli ioni H⁺ e formare acqua.

Mentre, in ambiente basico, possiamo:

• aggiungere ioni OH^– in modo da bilanciare gli ioni H⁺ presenti nell’equazione e formare acqua;
• controllare che gli ioni H⁺ e gli ioni OH^– siano bilanciati e aggiungere altri per equilibrare.

Speriamo che questo articolo sia utile per bilanciare le equazioni redox e fare un passo in più con il metabolismo cellulare.

Nei prossimi episodi entriamo nel vivo e trattiamo i processi che seguono la produzione e il consumo di ATP.

Infatti, incontreremo la glicolisi e i suoi prodotti, la respirazione cellulare con il ciclo di Krebs e molto altro.

Ciao DoctorZ, alla prossima! 🧡🚀