Fundamentos físico-químicos y efectos biológicos del oxígeno
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Fundamentos físico-químicos y efectos biológicos del oxígeno
Allan White
PROTAGONISTA PRINCIPAL
• El protagonista principal en esta presentación es, sin lugar a dudas, el oxígeno , el cual es necesario para extraer cabalmente la energíaalmacenada 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
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
O
oH H
H
H
H
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
O
oOH OH
H
H
H
H
OH
HOH
CH2OH
oOH OH
H
H
H
H
OH
HOH
CH2OH
O
OH
HH
H
H
OHOH
H
CH2OH
O
oOH
H
H
H
H
OH
HOH
CH2OH
O
OH
HH
H
H
OHOH
H
CH2OH
OO
oOH
H
H
H
H
OH
HOH
CH2OH OH
HH
OHH
H
OHOH
H
CH2OH
O
OH
HH
OHH
H
OHOH
H
CH2OH
OO
ββββ-D-Galactopiranosil-1,4-D-glucopiranosa
Lactosa
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
oH H
H
H
H
OH
OH
OHOH
CH2OH
CH2OH
oCH2OH
H
HO
OH
H
OH
H
CH2OH
ooCH2OH
H
HO
OH
H
OH
H
αααα-D-Glucopiranosil-(1,2)-ββββ-D-fructofuranosa
Sacarosa
oH
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
oCH2OH
HO
OH
H
H
H
O
Ho
H
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
ooCH2OH
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 CO 2 y H2O, cuando hay suficiente oxígeno presente.
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– la contracción muscular, etc.
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: • 8 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:
• 1S2
• 2S2 2px2 2py1 2pz1
átomo de hidrógeno hidrogenión (H +) ión hidruro (H -)átomo de deuterio
XAZ
Símbolo del elementoNúmero másico (masa atómica)
Número atómico
Número de protones = Número de electrones
Número de protones + Número de neutrones
isótopo
He42
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.
etc.
Na Cl+ - Cl
Na+Cl -
Cl
Cl2
ENLACE IÓNICO ENLACE COVALENTE
H HO
H2O
1S1 1S2
2S2 2px2 2pz12py1
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 heliohabría 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 CO 2, 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
• Luz + nCO 2 + nH2O -------> (HCHO)n + nO2
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 PO 2 atmosférica es cercana a 160 mmHg y la PO 2alveolar y arterial 100 mmHg.
• Esas son las condiciones para las cuales está adaptado el organismo humano, considerando que el O 2 se mueve por simple difusión.
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 PO 2 atmosféricas respectivas son 76 y 46 mmHg, lo que hace imposible alcanzar los 100 mmHg de PO 2 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 oxí geno 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 hiperbárica)
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 CO 2, 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 + PiATP
FOSFORILACIÓNOXIDATIVA
GLUCOLISIS
CADENA RESPIRATORIA
EJE CATABÓLICO BÁSICO
Otros azúcares
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 sintasa
1
aconitasa
2
isocitrato
desh
idro
gen
asa
3
αααα-ceto
glutarato
deshidro
genasa4
succinil-CoAsintetasa
5
succinato
deshidrogenasa6
fum
arasa
7
mal
ato
desh
idro
gena
sa
8
CADENA TRANSPORTADORADE 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) .
�Proteínas ferro-sulfuradas .
∆∆∆∆Gº’ = - 220 kJ/mol
∆∆∆∆Gº’ = - 152 kJ/mol
∆∆∆∆Gº’ = 52 kJ/mol
NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O
FADH2 + ½ O2 FAD + H2O
ADP + Pi ATP + H 2O
OXÍGENO – SALUD - NORMALIDAD
Es así como la normalidad y la salud
aporte de oxígeno a las mitocondriasestán asociadas con un adecuado
de las células, mediante los sistemasrespiratorio y circulatorio.