quais são as concentrações ambientais de O2 e CO2?
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Todos sabemos que o ar que respiramos é composto por 20% de oxigénio. A concentração de dióxido de carbono ultrapassou recentemente os níveis de 400 partes por milhão, o mais alto em milhões de anos, bombeado pelas atividades humanas. Estes gases atmosféricos são críticos para os estilos de vida de plantas e animais. No entanto, as reacções biológicas ocorrem em meio líquido e, portanto, devem depender da solubilidade destes constituintes inorgânicos fundamentais., Que concentrações de oxigénio e dióxido de carbono vêem as células na sua vida quotidiana nos meios aquosos em que vivem?os organismos vivos são construídos a partir de quatro tipos principais de átomos: carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. No corpo humano, juntas, elas equivalem a cerca de 96% do peso úmido e cerca de 87% do peso seco, como mostrado na vinheta “Qual é a composição elementar de uma célula?”. No entanto, o conjunto destes constituintes no meio celular é frequentemente limitado. Por exemplo, como vamos discutir abaixo do oxigênio é solúvel em água para apenas cerca de 10 partes por milhão., No caso do carbono e nitrogênio, estes átomos são amarrados em uma forma inorgânica relativamente inerte, sequestrados em CO2 e N2, respectivamente. Como resultado, as células devem encontrar formas de extrair essas moléculas destes reservatórios inacessíveis e convertê-las em alguma forma utilizável. Embora “água” e “ar” sejam conhecidos de todos da mesma forma que qualquer um que vive em climas do Norte tem uma resposta visceral à palavra “neve”, é muitas vezes esquecido que estas palavras da máscara vernacular comum uma rica Realidade molecular.,
Figura 1: A solubilidade em água de oxigénio e dióxido de carbono e a sua dependência da temperatura sob a composição normal do ar. Os valores do eixo Y para os dois gases foram escolhidos para permitir a comparação da mudança com a temperatura, mas note que a escala de concentração de oxigênio é 10 vezes maior. A concentração de oxigênio no ar é cerca de 500 vezes maior que o CO2, mas o oxigênio é cerca de 50 vezes menos solúvel. Para ambos os gases a concentração é menor a temperaturas mais elevadas., À medida que a temperatura aumenta a disponibilidade de CO2 diminui mais rapidamente do que a do oxigênio. Bicarbonato (HCO3-) é a forma inorgânica mais abundante de carbono na faixa de pH 6-10. O oxigênio no sangue é transportado principalmente ligado à hemoglobina em uma concentração semelhante à do oxigênio no ar. Esta concentração é cerca de 50 vezes maior do que seria transportado pelo líquido do sangue sem hemoglobina. A parcela refere-se a água doce; a solubilidade é cerca de 20-30% menor em água salgada oceânica. Dados nas curvas calculadas pelos autores com base em Henry law.,
o Carbono entra na biosfera, quando ele é transformado a partir de sua forma oxidada em CO2 para uma forma reduzida, principalmente em hidratos de carbono da repetição motivo (CHOH)n. Este motivo faz até açúcares em geral, e é o principal componente das paredes celulares presentes em ambos os micróbios e plantas que compõem a maior parte da matéria orgânica na biosfera. Esta transformação ocorre em um processo conhecido como fixação de carbono realizada por plantas, algas e uma variedade de bactérias conhecidas como autotróficos., A concentração de CO2 dissolvido na água em equilíbrio com a atmosfera é ≈10 µM (BNID 108697), como mostrado na Figura 1. Isto significa que há apenas cerca de 104 moléculas de CO2 em um volume de água do tamanho de uma bactéria. Isto deve ser comparado com os 1010 átomos de carbono que são necessários para constituir uma bactéria. A concentração de O2 é igualmente bastante baixa a ≈100-300 µM (BNID 109182 e ver Figura 1 para apreciar como esta solubilidade muda com a temperatura). A solubilidade do oxigênio na água é cerca de 50 vezes menor que a do CO2., Como resultado, embora o oxigênio no ar seja cerca de 500 vezes mais abundante do que o CO2, a razão de concentração entre o O2 e o CO2 em solução é cerca de 10 ao invés de 500. Por definição, cada mg/L na Figura 1 é uma parte por milhão, em termos de massa, de modo a raridade de oxigênio e de dióxido de carbono pode ser diretamente apreciado por referir que a concentração desses gases é o único dígito de domínio em termos de mg/L e, portanto, também apenas algumas poucas partes por milhão. O CO2 tem a característica adicional de que reage com água para dar, em valores fisiologicamente relevantes de pH, principalmente bicarbonato (HCO3–)., No pH 7 há cerca de 10 vezes mais carbono inorgânico na forma de bicarbonato do que CO2 dissolvido. A pH 8, característica da água do oceano, há 100 vezes mais bicarbonato do que CO2 dissolvido. Estas piscinas são de importância para qualquer um que pretende medir as piscinas de carbono inorgânico disponíveis para as células. Especificamente, o censo desses reservatórios moleculares é de importância para entender a sequestração de carbono nos oceanos ou o transporte de carbono inorgânico em nosso sangue de tecidos para os pulmões., A transição do CO2 para o bicarbonato e vice-versa é reforçada pela ação da anidrase carbónica. Esta transição permite que a célula para reabastecer o rapidamente esgotado pequeno pool de CO2 a partir do muito maior pool de carbono inorgânico na forma de bicarbonato.
Figura 2: zona Morta no Golfo do México, devido a fertilizantes agrícolas suportados pelo Rio Mississippi., A média a longo prazo para a área de hipoxia de água do fundo do verão (vermelho colorido), onde os níveis de oxigênio dissolvidos <2 mg/L (também conhecida como zona morta, onde a depleção de oxigênio leva à sufocação de peixes) é de 13.000 km quadrados, cerca da área de Connecticut. Os valores indicam o oxigénio medido nas estações do fundo do mar. Normal, próximo da saturação completa com (o oxigénio traduz-se em concentrações de cerca de 7-9 mg/L, como indicado na Figura 1. 1 mg / L é cerca de 1 parte por milhão. Os valores para outras partes do Golfo do México não são mostrados porque não há estações de medição localizadas lá., (Figura adaptada da NOAA. http://service.ncddc.noaa.gov/rdn/www/media/hypoxia/maps/2011-hypoxia-contours.jpg http://www.ncddc.noaa.gov/hypoxia/products/ http://si.wsj.net/public/resources/images/NA-AZ768A_DEADZ_NS_20090817185740.jpg http://toxics.usgs.gov/hypoxia/hypoxic_zone.html)
Em muitos ambientes aquosos a baixa solubilidade e a lenta difusão do O2 é uma grande limitação para o aeróbio, o metabolismo dos organismos. Por exemplo, considere o problema ambiental agudo da eutrofização, o processo pelo qual o oxigênio se esgota quando quantidades excessivas de fertilizantes contendo nitrogênio e fósforo são lavados para uma bacia de água anteriormente limitada em nutrientes, levando a florescer plâncton., Quando o plâncton afunda posteriormente, sua biomassa é respirada por bactérias que consomem oxigênio no processo. O fornecimento limitado de oxigênio se traduz em enormes zonas mortas no Golfo do México, algumas tão grandes quanto a área ocupada pelo Estado de Connecticut, como mostrado na Figura 2. Enquanto a concentração de oxigênio pode ser limitante para a respiração em alguns organismos, para aqueles que realizam fixação de carbono ele pode realmente ser muito alto. Como indicado na Figura 1, Existe uma dependência da solubilidade em relação à temperatura, de tal forma que existe relativamente menos CO2 em relação ao O2 a temperaturas mais elevadas., Sugere-se assim que se accione a pressão selectiva que conduz às plantas C4 (por exemplo, milho e cana-de-açúcar), que utilizam bombas metabólicas para aumentar localmente as concentrações de CO2 para a fixação do carbono.
Figura 3: de Volta do envelope de cálculo sobre a disponibilidade de oxigênio para o crescimento em meio líquido & a câmara de crescimento, headspace preenchido com ar.
para ilustrar o significado das baixas concentrações de oxigénio encontradas em ambientes marinhos num contexto familiar de laboratório, pense numa cultura de bactérias durante a noite., As células crescem de um pequeno número de células para saturação em um OD600 de cerca de 1 (correspondendo a cerca de 100-1000 milhões de células bacterianas por mL, como discutido na vinheta sobre ” qual é a concentração de células bacterianas em uma cultura saturada?”), sob condições que podem ser descritas como aeróbias. O crescimento é facilitado por um açúcar como a glicose no meio (por exemplo, 0,2% em massa, equivalente a ≈10mM). Na Figura 3 apresenta-se esquematicamente um cálculo simples das necessidades de oxigénio desse crescimento., Como razoáveis, o cenário de referência, considere-se que cerca de metade deste açúcar será usado para a construção de biomassa e a outra metade para fazer a energia (como evidenciado na observação de que o rendimento do carbono armazenado como biomassa de carbono retirado do crescimento mídia geralmente é ≈0.5, BNID 105318). A estequiometria do processo respiratório é tal que para cada molécula de glicose, 6 moléculas de O2 são usadas. Assim, em um sistema fechado, 5 mM de glicose respirava para fazer energia vai exigir cerca de 30 mM de oxigênio., A concentração de oxigênio foi observada acima para ser nas centenas de µM, que é cerca de 100 vezes menor. Assim, podemos concluir, conforme calculado na Figura 3, que será necessário haver mais de 100 ciclos de reposição (turnovers) da piscina de oxigênio dissolvido nos meios de crescimento para suprir as necessidades de respiração da glicose. O reabastecimento é geralmente obtido por agitação vigorosa, borbulhando ou impulsores especiais. O meio de crescimento é cercado por ar que tem uma fração de oxigênio de 20% equivalente a cerca de 10 µmol por litro (de ar)., Como analisado na Figura 3, um headspace de algumas vezes o volume da cultura contém oxigênio suficiente para o crescimento da cultura, enquanto o arejamento é vigoroso o suficiente para dissolver o oxigênio do headspace para a mídia líquida. Como uma forma alternativa de pensar sobre esta estimativa, considere a regra de ouro de que a conversão de glicose para biomassa bacteriana requer cerca de 1 g de O2 por 1 g de peso seco celular produzido (a maioria emitido após a respiração como CO2)., Um OD600 de 1 tem cerca de 1 g de peso seco celular por litro, o que exigirá 1 g de oxigênio, ou 30 mmol, de acordo com a derivação acima.
Figura 4: Heterocysts em Anabaena. A) esquema que mostre o posicionamento regular dos heterocistos em Anabena que convertem dinitrogénio em amoníaco. B) imagens microscópicas que mostrem tanto as células vegetativas como os heterocistos (marcados com setas). (Adapted from Physical Biology of the Cell, 2nd Edition., Garland Science, 2012)
Oxygen is not the only critical cellular component that is in limited supply. O nitrogênio, que compreende cerca de 80% da atmosfera da Terra, é altamente inerte, uma vez que é quase exclusivamente amarrado na forma de N2. Este nitrogênio chegou a atmosfera através da ação de bactérias que utilizam o nitrogênio como um aceitador de elétrons em um processo conhecido como desnitrificação (outro exemplo de como a biologia ajuda a moldar a terra). Para tornar o nitrogênio atmosférico disponível novamente para bioquímica há uma necessidade de um processo desafiador, i.e., transformar azoto em amónio (NH4+), nitratos (NO3–) ou nitritos (NO2–). Os organismos capazes de realizar este processo de fixação do azoto são organismos unicelulares, tais como os parceiros simbióticos microbianos encontrados nas raízes dos leguminosas. Apenas uma enzima é capaz de realizar este processo, a saber, a nitrogenase. A Nitrogenase é sensível ao oxigênio, portanto, requerendo um ambiente local que é desprovido de oxigênio, um fato que leva alguns sistemas microbianos a desenvolver células especializadas conhecidas como heterocistos, como mostrado na Figura 4, que são o local dessas transações de nitrogênio., Em uma escala global, o ciclo natural de fixação do nitrogênio é aumentada pela humanidade através de um comparáveis quantidade de redução de nitrogênio obtida industrial Haber-Bosch o processo, resultando em fertilizantes, que são essenciais para a alimentação de uma grande parte da humanidade, mas que também resultam na ecológico eutrofização mencionado acima. O fato de que os seres humanos estão fazendo mudanças nos principais ciclos biogeoquímicos envolvendo as poças dessas substâncias inorgânicas-chave alerta-nos para pensar sobre o que é efetivamente uma experiência gigantesca e humana engajada em Alterar a biosfera.,
