Oxidace a úloha kyslíku

Oxidace je ztráta elektronů, případně zvýšení oxidačního čísla příslušného prvku. Odebrané elektrony musí skončit na jiném prvku, a proto je oxidace jedné látky vždy spojena s redukcí látky jiné. Slovo „oxidace“ pochází ze slova „oxid“, které označuje sloučeninu obsahující kyslík. Kyslík není pro průběh oxidace nezbytně nutný.

Kyslík je oxidační činidlo. Má vysokou tendenci přijímat elektrony. Afinita prvku k elektronům je vyjádřena hodnotou jeho elektronegativity. Elektronegativita kyslíku je jedna z nejvyšších mezi prvky, vyšší má už jenom fluor. Přesun elektronů na kyslík, včetně tvorby vazeb s kyslíkem, je proces termodynamicky výhodný, tzn. uvolňuje energii.

To, že se v naší atmosféře s 20 % kyslíku samovolně nevznítíme, se dá zdůvodnit jedině existencí jistých kinetických bariér.

Organizmy žijící na Zemi našly způsob využití energie přenosem elektronů z méně elektronegativních prvků na kyslík. Naše buňky oxidují organické sloučeniny obsažené v potravě na CO₂ a H₂O za spotřeby kyslíku a produkce energie. Tento proces někdy nazýváme také spalování živin. Na rozdíl od hoření je transfer elektronů z organických molekul na kyslík v našich buňkách rozdělen do mnoha kroků. Většina uvolněné energie se tak nepřemění na teplo a světlo, ale ukládá se ve formě chemického potenciálu. Z didaktických důvodů můžeme oxidativní metabolismus rozdělit do dvou fází:

1. Oxidace substrátu spojená s redukcí kofaktorů enzymů;
2. Reoxidace redukovaných kofaktorů kyslíkem.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Co pohání naše buňky.

Odbourávání glukózy

Jako příklad můžeme uvést glukózu. Její šestiuhlíkatá molekula (C₆H₁₂O₆) je v procesu glykolýzy a pyruvátdehydrogenázové reakce postupně oxidována na dvě molekuly kyseliny octové (ve formě acetyl-koenzymu A) a dvě molekuly CO₂. Během této reakce dochází k redukci čtyř molekul koenzymu NAD⁺ (nikotinamidadenindinukleotid) na NADH, přičemž každý přijme dva elektrony (často naznačeno jako přijetí hydridového aniontu H^–).

Vytvořený acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu a je dále oxidován na dvě molekuly CO₂ a čtyři molekuly redukovaných kofaktorů (tři NADH a jeden FADH₂ – flavinadenindinukleotid). Ve výsledku dochází při oxidaci glukózy k tvorbě 12 redukovaných kofaktorů a šesti molekul CO₂. V tomto procesu nedošlo ke spotřebě žádného molekulárního kyslíku (O₂) – chybějící atomy kyslíku byly poskytnuty molekulami vody. V té se kyslík vyskytuje již v redukované formě (O^–II), která se elektronového transferu neúčastní.

Aby mohla metabolická dráha fungovat, musí být redukované kofaktory zpětně reoxidovány. Proces reoxidace nastává nejčastěji v mitochondriích, kde redukované kofaktory předávají získané elektrony kyslíku (redukují ho). Redukce kyslíku pak vede k uvolnění značného množství energie.