Syra

Syra
n., Plural: oxygener

Definition: Oxygen: Det färglösa, luktfria, gasformiga grundämne som representeras av symbolen ”O”, med atomnumret 8

Definition av syre

I biokemin är syre det färglösa, luktfria, gasformigt grundämne som representeras av symbolen ”O”, med atomnumret 8, och utgör cirka 21 volymprocent av atmosfären, och är biologiskt viktigt för sin roll i olika biokemiska och fysiologiska processer, särskilt hos aeroba organismer. Etymologi: Urskildhet: Forntida grekiska ὀξύς (oxús, som betyder ”skarp”) + γενής (-genēs, som betyder ”producent”). Symbol: O.

Oxygen är ett av de kemiska grundämnen som finns i naturen. Med ett kemiskt grundämne avses den rena substansen av en typ av atom. För närvarande är 94 naturliga grundämnen medan 24 är syntetiska. Syre är ett av de vanligaste grundämnena i levande organismer tillsammans med kol, väte och kväve. Det är också det tredje vanligaste grundämnet i universum, näst efter väte och helium.

Egenskaper hos syre

Syre är ett naturligt gasformigt grundämne med atomnumret 8 och atomvikten 15,96. I det periodiska systemet tillhör det chalkogenerna. Det är en reaktiv ickemetall med elektronkonfigurationen He 2s2 2p4. Den kan kombinera sig med alla grundämnen, med undantag för fluor, för att bilda oxider, baser, oxysyraanhydrider osv. Vid rumstemperatur är syre endast måttligt aktivt med de flesta ämnen. Vid högre temperaturer blir det dock mycket aktivt och anses vara en av de mest kraftfulla kemiska agenterna. Syrets smältpunkt är -218,79 °C. Dess densitet vid STP är 1,49 g/L vid 0 °C och 760 mm tryck.

Under 1700- och 1800-talen lärde sig vetenskapsmännen att luftkomponenterna kunde göras flytande genom att komprimera och kyla luften. År 1883 blev syre för första gången flytande i ett stabilt tillstånd.1 Det flytande syret har en ljusblå färg, en densitet på 1,141 g/cm3, en kokpunkt på -182,96 °C vid 101,325 kPa (760 mmHg) och en fryspunkt på -218,79 °C. För närvarande används det i militära flygplan och i gasindustrin.

Solidt syre är ett annat fysiskt tillstånd av syre som bildas vid normalt atmosfäriskt tryck vid en temperatur under -218,79 °C. Det har också en ljusblå färg. Det har en densitet på 21 cm3/mol i α-fasen till 23,5 cm3/mol i γ-fasen.2

Isotoper av syre

De naturligt förekommande isotoperna av syre är syre-16, syre-17 och syre-18. Alla tre isotoperna är stabila. Oxygen-16 (16O) har 8 neutroner och 8 protoner i sin kärna. Det är den vanligaste syrgasisotopen och utgör 99,762 % av den naturliga förekomsten (NA, dvs. förekomsten av isotopen i naturen). Syre-17 (17O) har 9 neutroner och 8 protoner i sin kärna. Dess NA är 0,0373 % i havsvatten och 0,0377421 % i havsvatten. Syre-18 (18O) har 10 neutroner och 8 protoner i sin kärna. Dess NA är 0,2 %.

Allotroper av syre

En allotrope av ett grundämne avser något av de många ämnen som bildas av endast en typ av grundämne. Exempel på allotroper av syre är atomärt syre, dioxygen, ozon och tetraoxygen. Atomärt syre (O1) är en mycket reaktiv allotrope av syre. Det tenderar att snabbt binda sig till närliggande molekyler. Dioxygen (O2) (fritt syre) förekommer i två huvudformer: triplet och singlet. Triplettsyre 3O2 är triplettgrundtillståndet hos dioxin. Det är mer känt som molekylärt syre.

Dess två syreatomer är bundna med en fullständig σ-bindning plus två π-halvbindningar. Det är den vanligaste och mest stabila allotropen av syre på jorden. Det är denna form som utnyttjas av organismer, t.ex. vid cellandning. Den frigörs också som en biprodukt vid fotosyntesen av fotoautotrofer.

Singlet oxygen 1O2 är dioxin med formeln O=O. Det är mer reaktivt för organiska föreningar än vad triplettsyre är. Det kan särskiljas från triplettsyre baserat på antalet elektronspins. Singulettsyre har endast ett möjligt arrangemang av elektronspinn medan trippelsyre har tre. Singulettsyre är en av de reaktiva syrearterna (ROS).

I fotoautotrofa organismer produceras singulettsyre av klorofyllmolekyler under fotosyntesen. Växter motverkar den skadliga oxidativa effekten genom verkan av karotenoider. Växtätare som får i sig växtdelar som är rika på klorofyllpigment som producerar singulettsyre är benägna att bli ljuskänsliga.

Människor som till exempel håller sig till en vegansk kost kan bli mer ljuskänsliga och bli predisponerade för fotodermatit. Hos däggdjur är ROS förknippat med oxidation av LDL-kolesterol, vilket i sin tur står för de skadliga effekterna på det kardiovaskulära systemet. Inom medicinen är det den aktiva syrearten i fotodynamisk terapi.

Ozon (O3) är en molekyl som finns i stratosfärens ozonskikt. Den kan absorbera det mesta av den ultravioletta strålningen från solen. Tetraoxygen (O4) kallades också oxozon.

Syreföreningar

Vatten (H2O) är en av väteoxiderna och den vanligaste oxiden. Väteatomerna är bundna till syre genom kovalenta bindningar. Vatten är en polär molekyl på grund av dess syre som har en lätt negativ laddning medan dess väteämnen har en lätt positiv laddning. Vattens polaritet gör det till ett utmärkt lösningsmedel. Det svagt negativa syret drar till sig katjoner medan det svagt positiva vätet drar till sig anjoner. Vatten har således förmågan att dissociera och jonisera molekyler. Vatten, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO och ZnO är exempel på oxider, som också är exempel på oorganiska föreningar som innehåller syre.

Organiska föreningar definieras i grund och botten som de ämnen som innehåller kolatomer och kol-kol- (C-C) och kol-väte- (C-H) bindningar. Exempel på vanliga organiska föreningar som innehåller syre och R (den organiska funktionella gruppen) är alkoholer (R-OH), aldehyder (R-CO-H), amider R-C(O)-NR2, estrar (R-COO-R), etrar (R-O-R) och ketoner (R-CO-R). Andra viktiga organiska föreningar som har syre är citronsyra, formaldehyd, glycerol, acetamid, formaldehyd och glutaraldehyd.

Upptäckten av syre

Under 1600- och 1700-talen ledde de tidiga experiment som utfördes av vetenskapsmän som Robert Hooke, Ole Borch och Pierre Bayen till att syre framställdes. Det erkändes dock inte som ett kemiskt grundämne på den tiden. Snarare var den förhärskande tanken under många århundraden att de fyra huvudelementen var luft, eld, vatten och jord. Man visste ännu inte att vart och ett av dem bestod av enklare beståndsdelar, som senare kallades för kemiska grundämnen.
Den brittiske prästprästen Joseph Priestley 1733-1804 bestred denna uppfattning och hävdade att luften bestod av ämnen, till exempel den gas som han observerade att den frigjordes från kvicksilveroxid (HgO) i sina experiment. Han kallade denna gas för dephlogistikerad luft. Senare fick gasen namnet oxygène 1777 av Antoine Lavoisier 1743 – 1794, fransk kemist.3 Priestley var den förste som publicerade om syre och som sådan brukar han tillskrivas som syreupptäckaren.

Det engelska namnet oxygen antogs från Lavoisiers oxygène, som i sin tur härstammade från grekiskans ὀξύς (oxús, som betyder ”skarp”) och -γενής (-genēs, som betyder ”producent”). Det var dock en felaktig benämning, eftersom man trodde att grundämnet var en beståndsdel i bildandet av alla syror. Namnet var väl etablerat att det fanns kvar fram till i dag även efter att det visat sig inte stämma.

Biologisk betydelse

I biologin spelar syre en avgörande roll i olika biokemiska och fysiologiska processer. Det är det vanligaste grundämnet (65 % av massan) i människokroppen, följt av: kol (18,5 %), väte (9,5 %), kväve (3,2 %), kalcium (1,5 %) och fosfor (1 %).

Respiration

I människor och andra landlevande ryggradsdjur kommer dioxin (O2) in i kroppen genom lungorna och binder sedan till hemoglobinet i de röda blodkropparna för att levereras till olika delar av kroppen. Dioxin lossnar från hemoglobinet och tränger in i vävnaderna genom diffusion. I sin tur tas koldioxid upp för att föras till lungorna för att släppas ut utanför.

Syran kommer in i cellen för att användas av mitokondrierna för att generera ATP genom cellandning. Den fungerar som den sista elektronacceptorn i elektrontransportkedjan under oxidativ fosforylering. Den totala reaktionen för cellulär respiration är: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Då den utnyttjar syre, beskrivs processen som aerob. Närvaron av syre gör den cellulära respirationen ungefär tio gånger effektivare när det gäller att ge ATP.

Immunfunktion

I människor är väteperoxid (H2O2), singulettsyre och superoxidjoner några av de ROS som naturligt uppstår som biprodukter av syreanvändning. De används för att förstöra patogener och har därför en immunfunktion.

Fotosyntes

Fotoautotrofa organismer, såsom cyanobakterier, gröna alger och växter, producerar syre genom fotosyntes. Den övergripande formeln för processen är:
6 CO2 + 6 H2O + fotoner → C6H12O6 + 6 O2
Koldioxid, vatten och fotoner behövs för att producera glukos och O2. Syret släpps så småningom ut i atmosfären.

Syrebehandling

Oxygen anses också ha en terapeutisk roll, särskilt vid behandling eller hantering av ischemiska vävnader. Syrebehandling, användning av syre för medicinsk behandling, används för att behandla tillstånd med nedsatt syreupptag, t.ex. lunginflammation och emfysem. Syre (O2) kan dock vara giftigt vid höga partialtryck (<50 kilopascal). Det kan leda till hälsoproblem och kramper.

Syreets geologiska historia

För 3,85 till 2,45 miljarder år sedan fanns det ännu inget fritt syre i jordens atmosfär och de flesta oceaniska delar var anoxiska. Fritt syre började finnas i atmosfären när fotosyntetiska organismer utvecklades. Detta tros ha skett för cirka 3,5 miljarder år sedan. Genom fotosyntes utnyttjade de koldioxid, vatten och fotoner för att producera sockerarter. Det syre som producerades även från fotosyntesen kastades bort som en avfallsprodukt.
För 2,45-1,85 miljoner år sedan började syrehalten stiga markant. En stor del av det fria syre som organismerna producerade absorberades i haven och havsbottnarna. Den biologiskt inducerade syreuppbyggnaden har kallats den stora syreuppbyggnadshändelsen. Den antas ha inträffat under den sideriska perioden (för 2,5-2,3 miljarder år sedan) i den paleoproterozoiska eran. Den betydande uppbyggnaden av fritt syre orsakade utrotningen av många obligatoriska anaerober.

Fritt syre började gasas ut från haven för 1,85-0,85 miljarder år sedan. Landytorna absorberade mycket av det. Från och med då och fram till i dag ackumuleras så småningom fritt syre i atmosfären, särskilt när syrebehållare fylls. Utvecklingen av organismer som kunde metabolisera syre dämpade ökningen av tillgängligt fritt syre.

Under karbonperioden (358,9-298,9 miljoner år sedan) i paleozoikum steg syrehalten i atmosfären till 35 volymprocent. Detta tros ha varit en faktor som bidrog till utvecklingen av stora insekter och groddjur. Man antog också att tillgången på syre ledde till mångfalden av aeroba organismer.4

Syrecykeln

Syran är det tredje vanligaste grundämnet i universum, efter väte och helium. Det förekommer därför i stor utsträckning och är cykliskt på jorden. Syrecykeln är en av de biogeokemiska cyklerna på jorden, där det omvandlas från en form till en annan.

De fyra huvudsakliga reservoarerna för syre är atmosfären, hydrosfären, litosfären och biosfären. Litiosfären är den största reservoaren, särskilt i silikat- och oxidmineralerna i jordskorpan och manteln. I atmosfären förekommer syre huvudsakligen i form av dioxin. Den innehåller också andra syrehaltiga molekyler, t.ex. ozon (O3), koldioxid, H2O (som vattenånga) och andra oxider. Den höga koncentrationen av ozon förklarar bildandet av UV-skölden, som kallas ozonskiktet, i stratosfären. I hydrosfären förekommer syre i vattenmolekyler, i kolsyra och som fritt syre. En viktig källa till syre kommer från biosfären som biprodukt av den biologiska processen fotosyntesen. Också fotolys bildar syre. Den bryter ner vatten och dikväveoxid för att frigöra fritt syre i atmosfären och väte och kväve i rymden. Marina djur med skal av kalciumkarbonat fungerar också som en biologisk källa. När de dör införlivas kalciumkarbonatet i deras skal i de sedimentära kalkstenarna.

Fritt syre från atmosfären metaboliseras av aeroba djur för andning. Och när de gör det släpper de ut koldioxid.

Litosfären absorberar fritt syre från atmosfären vid kemisk vittring, t.ex. vid bildning av rost.

Läs:

• Transport av syre i blodet fotosyntes
• Cellrespiration – Biology Online Tutorial

1. Papanelopoulou, F. (2013). ”Louis Paul Cailletet: Syreförvätskning och uppkomsten av forskning om låga temperaturer”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). ”Den molära volymen (densiteten) hos fast syre i jämvikt med ånga”. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1 januari). Hämtad från www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, 1 januari). Syre gav livets andetag som gjorde det möjligt för djur att utvecklas. Hämtad från www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/