Élni vagy létezni? – 26. Oxónium és hidroxil

Élni vagy létezni?
26. Oxónium és hidroxil

Az előző részben megállapítottuk, hogy a sejten belüli energia-felszabadító, -átalakító folyamatokra nem mindenben, csak a nettó végeredményben igaz a gyerekkorunkból ismert képlet, mi szerint:
C6H12O6 + 6 O2 = 6CO2 + 6H2O
Vélelmeztük, hogy az ismert végtermékek vetületében inkább a következő, két lépéses, nettósított egyenletpár lehet közelebb a végeredmény és a valóban lezajló részfolyamatok, szerkezeti változások leírására:
C6H12O6 + 6H2O = 6CO2 + 24 H
24 H + 6 O2 = 12 H2O
Az összevonások, egyszerűsítések elvégzése után, valóban:
C6H12O6 + 6 O2 = 6CO2 + 6H2O
Bizonyosak lehetünk-e abban, hogy csak 6 vízmolekula bontására van szükség a folyamatok kivitelezéséhez? Amint láttuk, az összes kinyert hidrogén-atomból 20-at (10 párat) a NAD+ vitt tovább, a megkötött H- és a szinkronban megjelenő H+ (proton) formájában. A további négy (2 pár) hidrogén a FADH2-vel (más elnevezés szerint ubikinollal, CoQH2-vel) távozott.
A természetre nagyjában-egészében jellemző a szimmetria. A kvantumfizika mérettartománya feletti jelenségekben, így a kémiai reakciókban is, oksági történések vannak jelen. Ez annyit tesz, hogy azonos eredetű anyagok, azonos körülmények között, megegyező reakciók következtében, azonos végeredményt produkálnak. A szőlőcukor bontásának anaerob fázisa, a fent vázolt módon, nem felel meg a szimmetria vagy az okság követelményeinek. A 24 H, eredetét tekintve, 2 forrásból származik. 12 H a glükóz molekulában, 12 pedig a 6 vízmolekulában lép be a reakció-sorba. Azt várnánk, hogy 12 a NADH + H+, 12 pedig a CoQH2 végtermékkel távozzék. Mégsem így történik.
Vajon van-e magyarázat az eltérésre?
Igen, mégpedig meglehetősen egyszerű.
A lebontás első szakaszában, a glikolízisben, a 2 piroszőlősav-molekula, a 2 ATP és a 2 NADH + H+ keletkezése mellett, 2 molekulányi H2O is kilép a folyamatból! Tehát 4 hidrogén már nem a szőlőcukor által hozott atomokból fog felszabadulni!
A citrátkörben (Szent-Györgyi-Krebs-ciklusban), a citrát – cisz-akonitát átalakulás reakciójában, a vegyület dehidratálódik, vagyis egy másik vízmolekula is távozik a folyamatból (Az induló szőlőcukorra vetítve, ami 2 piruvát formájában lép a körfolyamatba, összesen 2 H2O lép ki.)
Ott tartunk tehát, hogy a glükóz által biztosított 12 hidrogén-atomból 4 vízmolekulába kötve, 8 atomi egység távozott. Ezeket, természetesen, pótolnia kell a folyamatsornak. Tehát, a 12 atomnyi növekmény mellett 8 csere is a környezeti vízből származik. Azaz, mindösszesen 20 – pontosan annyi, amennyit a NADH + H+ végtermék szállít el a terminális oxidációhoz. A fennmaradó 4 a FADH2 (CoQH2, ubikinol) közreműködésével jut el a végső oxidáció mechanizmusába.
Úgy tűnik, megtaláltuk a szimmetriát, megleltük az azonos végtermékek azonos eredetét. Egyenletsorunk, mely az összes fontos változást is jelzi, így néz hát ki:
C6H12O6 – 4 H2O + 10H2O = 6CO2 + 24 H
A folytatás megegyezik a fentebb ismertetett egyenlettel és összevonással, egyszerűsítéssel.
Már csak azt kellene megfejtenünk, vajon valódi vízbontást végez-e az enzimsor, amikor a kérdéses 20 hidrogént (pozitív és negatív töltetű ionizált alakban) előállítja, vagy nem egészen azt teszi…
Ha csak a többlet-hidrogént kellene fedeznie a folyamatsornak, akár át léphetnénk a kérdésen, mert fajsúlytalannak látszana. Esetünkben azonban a totális vízbontás lehetőségének ellentmondani látszik az a tény, hogy 4 molekulányi víz kiléptetésével (dehidratációval) majdnem a többlet értékével megegyező pótlási igényt teremt meg az élettani folyamat. A szűkösen rendelkezésre álló erőforrások allokálására berendezkedett élő organizmus takarékos működésnek ez a jelenség látszólag ellentmond. Persze, tudjuk, hogy a dehidratációval felszabaduló energia visszafordítható a víz bekötésének finanszírozására. Az is lehet, hogy semmilyen más molekulaformáción és enzim-szerkezeten át nem lehetne megvalósítani a kérdéses lépéseket.
De lehet valami más is.
Vessünk egy pillantást a tömeghatás törvényére, és az abból eredő autoprotolízis jelenségére!
A tömeghatás törvénye szerint, kémiai egyensúly állapotában a kiindulási anyagok koncentrációi szorzatának és a keletkező anyagok koncentrációi szorzatának hányadosa, meghatározott hőmérsékleten állandó. A kémiai reakcióknál dinamikus egyensúly áll be, vagyis a reakciótérben a jelen levő anyagok koncentrációi annak ellenére sem változnak, hogy a reakció mindkét irányban változatlanul folyik tovább. Oda- és visszaalakulás is zajlik, a reakciótérben mind a kiindulási-, mind a keletkezett anyagokat ki lehet mutatni.
Autoprotolízis alatt azt a proton-átadási folyamatot értjük, mely valamely anyag saját molekulái között megy végbe. A víz autoprotolízise során az egyik H2O-molekula egy H+-t (hidrogén-ion, protont) ad át a másik H2O-molekulának. Így keletkezik egy oxónium-ion (H3O+) és egy hidroxil-ion (OH-) a folyamat eredményeképpen. Nem akármennyi ion keletkezhet, hanem csak annyi, amennyi a molekula jellegzetességéből eredően, vegyület-specifikusan létrejöhet.
Az autoprotolízis mértékét az ionszorzat jellemzi. Ez mutatja meg, hogy az adott anyag 1 köbdeciméterében hány mólnyi mennyiség van jelen ionizált formában. Víz esetében, 22 Celsius fokon, a molekulák sav-bázis disszociációjából eredő oxónium- és hidroxil-ion koncentráció megegyezik, 1/10.000.000 mol, köbdeciméterenként. Ez, normál számtani alakban, 10 a mínusz hetediken. (Ionszorzata, értelemszerűen, 10 a mínusz 14-en.)
A pH-érték, a potentia hydrogeni, itt kapcsolódik be tudástárunkba. Ezzel a mutatóval jellemezzük a híg vizes oldatokban az oxónium-ionok koncentrációját. Értéke a moláris koncentráció 10-es alapú logaritmusa (előjel-cserével). Tehát, a kémhatás szempontjából semleges, 7-es pH-érték azt jelenti, hogy az oxónium-koncentráció 10 a mínusz 7-en mól, köbdeciméterenként. 5-ös pH esetén ez a töménység 10 a mínusz 5.-en – vagyis százszor annyi savasító ion van köbdeciméterenként, mint a semleges kémhatású oldatban.
A semleges oldathoz kötött, tízmilliomod mólnyi ion-mennyiség (külön-külön kation és anion vonatkozásában), valóban nem tűnik komoly koncentrációnak. Ám, ha az elemi töltés-átvitel szempontjából lényeges darabszámot vizsgáljuk, meghökkentő eredményre jutunk. A víz mólnyi mennyisége 6*10 a 23.-on molekulát tartalmaz. Ennek tízmilliomod része 6*10 a 16.-on. Vagyis 60 milliószor 1 milliárd. Sok-e vagy kevés? Mihez képest?
Nem találtunk vizsgálati eredményt a mitokondriumok hidroxil- (OH-) befogó képességére. Utalások vannak a szakirodalomban arra nézve, hogy a hidroxil-gyököket transzportálja a membránja. Azt viszont nem tudjuk, hogy az anaerob folyamatok teljes oxigén-szükségletét ezen az úton biztosítja-e. Ha igen, akkor ez az endoszimbionta lény (ha úgy tetszik, fél-autonóm sejtszerv) megvalósította a fantasztikum-számba menő technikai attrakciót: vízmotort működtet.
A CO-molekularészlet teljes, anaerob oxidálásához felhasználja az OH- oxigén-atomját, eredményképpen CO2 és H- keletkezik. A H- iont befogja a NAD+, s NADH formájában viszi tovább, az igazi „kazánhoz”.
A tömeghatás törvényének értelmében, ha a dinamikus egyensúlyban lévő rendszerben valamely ion koncentrációja megnövekszik, olyan folyamatok indulnak be, melyek, ezt a koncentrációt csökkenteni igyekeznek. Tehát, az OH- (hidroxil) gyökök „kiemelése” után, a relatíve megnövekedő H+ (proton) koncentráció csökkentését célzó mechanizmusok aktiválódnak. Ezek biztosíthatják, legalábbis részben, azt a hajtóerőt, mely a protonokat is a hidroxil-gyökök útjára, azaz, a citoplazmából a mitokondriumba tereli.
A tömeghatás jelenségének lesz még egy következménye. A citoplazmában lecsökkent ionkoncentrációt azonnal a dinamikus egyensúlyi állapotnak megfelelő szintre növeli. Vagyis, újabb vízmolekulák disszociálnak oxóniummá és hidroxillé.
A történet lényegi eleme az, hogy a disszociált ionok felhasználása során csak egy kovalens kötés energiáját kell ellentételeznie a folyamatnak, az OH- felhasználása alkalmával. Az oxóniumról disszociált H+ nincs ilyen erős kémiai kötésben, tulajdonképpen csak a fizikai transzportálás energia-igényét kell kielégíteni felhasználásával összefüggésben.
Megdöbbenve kell tapasztalnunk, hogy az entrópia-törvénnyel szembe menő folyamatot találtunk ebben a világban. A víz molekulái (amik a hidrogén és az oxigén együttállásának legalacsonyabb szabadenergia-szintjét valósítják meg), kellő darabszámú halmazba összeállva nem a végső nyugalom állapotát testesítik meg, hanem bizonyos visszarendeződést produkálnak, halmazuk egy részében magasabb szabadenergia-tartalmú kombinációt jelenítenek meg.
Választ kellene kapnunk arra, hogy mi szolgáltatja az energiát a működéséhez. Exotermnek nem tekinthetjük semmiképpen, mivel az eredménye magasabb energetikai szintet valósít meg, mint a kiinduló állapota. Következésképpen öngerjesztést sem produkál, tehát nem tud „elszabadulni”.
Azt is tudjuk, hogy a hőmérséklet emelkedésével az autoprotolízis is növekszik, tehát egyre magasabb ion-koncentrációt produkál. Tehát hőmérséklet-függő. Az igazi kérdés most már az, hogy az ionizálódás energia-szükségletének forrását mekkora hányadban adja a rendszer hőmérséklete.
Amennyiben 100 %-ban a környezeti hő szolgáltatja a folyamat energia-szükségletét, úgy egy első osztályú klíma-berendezés elméleti alapjával van dolgunk. A hőszivattyúzást úgy tudjuk megoldani, hogy térben elkülönített módon, a hűteni kívánt részbe helyezzük az autoprotolízist végrehajtó blokkot, s egy másik, fűthető vagy éppen fűteni szándékozott helyen elvégezzük a hajtóanyag regenerációját. Víz esetében a hidroxil-gyököket és a protonokat ütköztetjük, vagyis ez utóbbiakat oxidáljuk, elégetjük. Ez a reakció exoterm, hőenergia szabadul fel általa.
A tömeghatás törvénye biztosítja a visszaáramoltatott víz kivonható iontartalmának újbóli kialakulását.
A rendszer működtetése nem ad energia-nyereséget, mindössze a „hőszivattyúzást” teszi lehetővé.
A dolog természetéből fakad, hogy a folyamat a víznek egyfajta saját hőháztartást biztosít. Puffereli a külső környezeti hatások megjelenését, a kiegyenlítődést – tehát valóban entrópia-ellenes, negentropikus reakció. (Ha hőt közlünk a vízzel, akkor az a közölt energia egy részét autoprotolízisre fordítja, s csak a fennmaradó hányad emeli ténylegesen a rendszer hőmérsékletét. Inverz esetben, ha a víz ad le hőt a környezetének, az ionizált összetevők molekulává történő visszaalakulása energiát szabadít fel, ami lassítja a lehűlést.)
Ám, amennyiben a rendszer hőmennyisége csak részben fedezi az autoproltolízis energiaszükségletét, a két érték közötti különbözetet valami egyéb forrásnak kell finanszíroznia. A magam részéről megtippelni sem tudom, hogy mi az.
Energia nem teremtődik és nem tűnik el. Csak átalakul. Következésképpen, a rendszer hőenergiáján kívül bármi, bármekkora hányadban is hajtsa a kérdéses folyamatot, az valahonnét ered. Más kérdés, hogy földi körülmények között, mint megújuló energiaforrásra, tekinthetünk rá. Az általa szolgáltatott erőért egy szalmalángot sem kell lángra lobbantanunk.
Vajon van-e megújuló energia-tartalma az autoprotolízisnek?
Vajon képes-e a mitokondrium membránja a víz disszociált, ionizált komponenseinek hatékony begyűjtésére?

Kucsora István

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>