Fundamentos físico-químicos y efectos biológicos del oxígeno. Allan White

Fundamentos físico-químicos y

efectos biológicos del oxígeno

PROTAGONISTA PRINCIPAL

• El protagonista principal en esta

presentación es, sin lugar a dudas,

el

oxígeno

, el cual es necesario

para extraer cabalmente la

energía

almacenada en los enlaces

químicos de las moléculas

complejas que ingerimos y/o

sintetizamos.

ROL DEL OXÍGENO

• El rol del oxígeno es actuar

como aceptor final de electrones

contenidos en los enlaces

químicos de las moléculas que

se oxidan en el metabolismo.

OLIGOSACÁRIDOS

αααα−−−−D−−−−Glucopiranosil−−−−(1,4)-D-glucopiranosa Maltosa o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH CH₂OH O o H H H H H OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH CH₂OH O o OH OH H H H H OH H OH CH₂OH o OH OH H H H H OH H OH CH₂OH O OH H H H H OH OH H CH₂OH O o OH H H H H OH H OH CH₂OH O OH H H H H OH OH H CH₂OH O O o OH H H H H OH H OH CH₂OH _OH H H OH H H OH OH H CH₂OH O OH H H OH H H OH OH H CH₂OH O O ββββ-D-Galactopiranosil-1,4-D-glucopiranosa Lactosa o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH o H H H H H OH OH OH OH CH₂OH CH₂OH o CH₂OH H HO OH H OH H CH₂OH o o CH₂OH H HO OH H OH H αααα-D-Glucopiranosil-(1,2)-ββββ-D-fructofuranosa Sacarosa o H H H H OH OH OH CH₂OH CH₂OH o CH₂OH HO OH H H H O H o H H H H OH OH OH CH₂OH CH₂OH o o CH₂OH HO OH H H H O H

OBTENCIÓN DE ENERGÍA

• El eje catabólico central, consiste en la

liberación de energía mediante

oxidación (pérdida de electrones) progresiva de la glucosa y sus

intermediarios, hasta convertirse

idealmente en CO₂ y H₂O, cuando hay

ATP COMO INTERMEDIARIO

• La energía liberada es traspasada

momentáneamente a moléculas de ATP, el que a su vez la transfiere haciendo posible:

– la síntesis de otras moléculas

– el paso de iones y otras sustancias a

través de membranas

ROL COMO COMBURENTE

• El oxígeno funciona como

aceptor final de la cadena

transportadora de electrones

que se encuentra en el interior

de las mitocondrias y su acción

es como comburente (oxidante)

en una combustión sin llama.

CONSTITUCIÓN DEL ÁTOMO

DE OXÍGENO

• Núcleo:

• 8 protones (Número atómico) • 8 neutrones

La suma de protones y neutrones da el Peso Atómico (16)

• Órbitas de electrones:

CONSTITUCIÓN DE LOS ÁTOMOS

• Los protones tienen carga positiva y su

cantidad (Número atómico) da la identidad al elemento

• El número de neutrones puede variar, dando

origen a diferentes isótopos con diferentes pesos atómicos.

• La neutralidad eléctrica del átomo la da un

número de electrones (con carga negativa), igual al de protones, que orbitan alrededor del núcleo.

DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES

• Los electrones de los distintos elementos se

distribuyen en hasta 7 niveles (K, L, M, N, O, P, Q) que aceptan respectivamente un número de electrones máximo de:

• K 2 • L 8 • M 18 • N 32 • O 32 • P 18 • Q 8

SATURACIÓN DEL ÚLTIMO NIVEL

• Sin embargo, con excepción del

primer nivel que se satura con dos

electrones, cuando alguno de los

siguientes niveles es el último se

satura con 8 electrones.

ORBITALES

• Cada nivel, además puede tener

subniveles u orbitales (s, p, d y f) que se saturan respectivamente con:

• s 2 electrones • p 6 electrones • d 10 electrones • f 14 electrones

ELECTRONES DEL OXÍGENO

• Los

8

electrones que orbitan en

torno al núcleo del oxígeno lo

hacen distribuyéndose en dos

niveles:

• 1S

2

átomo de hidrógeno hidrogenión (H+_{) ión hidruro (H}-₎

átomo de deuterio

X

A Z

Símbolo del elemento Número másico (masa atómica)

Número atómico

Número de protones = Número de electrones Número de protones + Número de neutrones

isótopo

He

4 2

TENDENCIA DEL OXÍGENO

• La tendencia natural del oxígeno al

reaccionar con otros elementos es completar el segundo nivel con 8 electrones,

agregando los dos electrones que les faltan a los subniveles 2py y 2pz

• Con esto el oxígeno adquiere una carga

negativa de dos electrones (O-2_),

reduciéndose a costa de oxidar al elemento o compuesto que le cedió los electrones.

Na+ Cl- Cl

Na+Cl

-Cl

Cl₂

H O H

H₂O

1S1 _1S2

ORIGEN DEL OXÍGENO

• En la evolución química del planeta Tierra,

elevadas temperaturas iniciales habrían ocasionado la fusión de átomos de

hidrógeno dando origen a nuevos átomos. Es así como:

• dos átomos de hidrógeno más dos

neutrones formarían un átomo de helio

• Luego, la fusión de dos átomos de helio

habría originado el berilio

• El carbono se habría formado a partir de

helio y berilio

• Finalmente el oxígeno se habría formado a partir de átomos de helio y carbono.

ORIGEN DEL OXÍGENO

• De esta manera habría aparecido el

oxígeno en el planeta, incorporado en

diversas moléculas, tales como CO₂,

H₂O, etc.

• Lo que falta explicar ahora es su

aparición como gas constituyente de la atmósfera.

OXÍGENO ATMOSFÉRICO

• Se supone que el oxígeno de la atmósfera

tiene origen fotosintético.

• La fotosíntesis es el proceso mediante el

cual la energía solar excita electrones que son usados para formar enlaces de alta

energía al sintetizarse moléculas orgánicas.

• Estos electrones provienen del agua como molécula dadora de electrones

ATMÓSFERA

• En un sistema solar que tiene

aproximadamente siete mil millones de años, actualmente el oxígeno

constituye aproximadamente un 20% de la atmósfera terrestre.

• La mantención de este porcentaje

depende de la existencia de agua, de seres capaces de fotosintetizar y del precario equilibrio entre la producción de oxígeno y su consumo.

PRESIÓN PARCIAL DE OXÍGENO

• La presión que ejerce la columna de

gases atmosféricos sobre la superficie de la tierra, a nivel del mar, es de 760 mmHg o una atmósfera.

• En esas condiciones la PO₂ atmosférica

es cercana a 160 mmHg y la PO₂

alveolar y arterial 100 mmHg.

• Esas son las condiciones para las

cuales está adaptado el organismo

humano, considerando que el O₂ se

PRESIÓN EN ALTURA

• A medida que aumenta la altura con

respecto al nivel del mar, la presión

atmosférica disminuye, de modo que a 5.480 metros es la mitad y en la cima del Everest es alrededor de 230 mmHg.

• Las PO₂ atmosféricas respectivas son 76 y 46 mmHg, lo que hace imposible

alcanzar los 100 mmHg de PO₂ alveolar

necesarios para abastecer normalmente a las mitocondrias.

DEPENDENCIA DEL OXÍGENO

• En la corta existencia de los mamíferos

y del ser humano sobre la tierra, se ha establecido una dependencia absoluta del oxígeno atmosférico como oxidante metabólico, para liberar la energía de

las moléculas orgánicas complejas.

• La mayor parte de los seres humanos

viven cerca del nivel del mar y su

metabolismo está adaptado al oxígeno que sus mitocondrias pueden recibir en esas condiciones desde la atmósfera.

DEPENDENCIA DEL OXÍGENO

• Cuando el oxígeno no llega en cantidad

suficiente a las mitocondrias por isquemia u otra razón, soluciones posibles son:

• a) incrementar la concentración del oxígeno

en el aire inspirado.

• b) aumentar la presión total del aire

inspirado, lo que aumenta la cantidad de moléculas por unidad de volumen.

• c) ambas cosas simultáneas (Hiperoxia

RESPIRACIÓN EN ALTURA

• A medida que aumenta la altura con respecto

al nivel del mar, la concentración de los

gases del aire se mantiene, pero el número de moléculas por unidad de volumen

disminuye progresivamente.

• En respuesta a la hipoxia el organismo

aumenta la frecuencia y la amplitud de los ciclos respiratorios.

• Como consecuencia se pierde por la

respiración más agua (deshidratación) y CO₂, lo que se traduce en hipocapnia y alcalosis respiratoria.

Glucosa Piruvato Acetil-CoA Aminoácidos CICLO DE KREBS + OXAL Acidos grasos CO₂ (e-_{+ H}+₎ n O₂ H₂O ADP + Pi ATP FOSFORILACIÓN OXIDATIVA GLUCOLISIS CADENA RESPIRATORIA

EJE CATABÓLICO BÁSICO

acetil-CoA oxalacetato citrato isocitrato αααα-cetoglutarato malato fumarato succinato _Succinil-CoA NAD+ NADH + H+ CO2 NAD+ NADH + H+ CO2 GDP + Pi GTP FAD FADH₂ NAD+ NADH + H+ citrato sin tasa 1 aco nita_sa 2 is o c it ra to d e s h id ro g e n a s a 3 αααα-cet oglu tara to desh idro gena sa 4 succinil-CoA sintetasa 5 su cc_in ato de sh_id ro ge na_sa 6 fu m a ra s a 7 mal ato des hid rog enas a 8

CADENA TRANSPORTADORA

DE ELECTRONES

• La mayoría de los transportadores son

proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna.

• Además de NAD+ y FAD hay otros tres tipos de transportadores de electrones:

Ubiquinona o Coenzima Q (UQ).

Citocromos a, b y c (proteínas con grupos hemo).

∆∆∆∆Gº’ = - 220 kJ/mol ∆∆∆∆Gº’ = - 152 kJ/mol ∆∆∆∆Gº’ = 52 kJ/mol NADH + H+ _{+ ½ O} 2 NAD+ + H2O FADH₂ + ½ O₂ FAD + H₂O ADP + Pi ATP + H₂O

OXÍGENO – SALUD - NORMALIDAD

Es así como la normalidad y la salud aporte de oxígeno a las mitocondrias están asociadas con un adecuado

de las células, mediante los sistemas respiratorio y circulatorio.