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Fundamentos físico-químicos y efectos biológicos del oxígeno

Allan White

PROTAGONISTA PRINCIPAL

• En la mantención de la vida y en la actividad física el protagonista principal es, sin lugar a dudas, el oxígeno.

• Éste es necesario para extraer cabalmente la energía almacenada en los enlaces químicos de las moléculas complejas que ingerimos y/o sintetizamos.

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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.

OBTENCIÓN DE ENERGÍA

• El eje catabólico básico, tiene como objetivo 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.

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Glucosa

Piruvato Acetil-CoA

Aminoácidos

CICLO DE KREBS

+OXAL

Ácidos grasos

CO2

(e- + H+)n

O2

H2O

ADP + PiATP

FOSFORILACIÓNOXIDATIVA

GLUCÓLISIS

CADENA RESPIRATORIA

EJE CATABÓLICO BÁSICO

Otros azúcares

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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

glutar

ato

deshid

rogen

asa4

succinil-CoAsintetasa

5

succinato

deshidrogenasa6

fum

arasa

7

mal

ato

desh

idro

gena

sa

8

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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.

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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

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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 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.

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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.

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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

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

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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

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.

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1S1

1S2

2S2 2px2 2pz12py1

etc.

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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.

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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

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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.

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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.

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 PO 2 alveolar necesarios para abastecer normalmente a las mitocondrias.

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ABASTECIMIENTO DE 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.

• Como respuesta aguda a la hipoxia el organismo aumenta la frecuencia y la amplitud de los ciclos respiratorios (hiperventilación).

• Como consecuencia se pierde por la respiración más agua (deshidratación) y CO 2, lo que se traduce en hipocapnia y alcalosis respiratoria.

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RESPIRACIÓN EN ALTURA• Como respuesta a mediano plazo a la

hipoxia los riñones responden incrementando su producción de eritropoyetina.

• La eritropoyetina incrementa la producción de glóbulos rojos y hemoglobina, mejorando el transporte de oxígeno por la sangre.

DEPENDENCIA DEL OXÍGENO

• Un metabolismo energético eficiente que proporcione salud y un buen rendimiento físico e intelectual depende de:

• La presencia de oxígeno suficiente en las mitocondrias celulares.

• Concentraciones adecuadas de citocromos y enzimas que aseguren la regeneración de coenzimos oxidados y el funcionamiento del ciclo de Krebs.

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LIMITACIONES DEL OXÍGENO• Sin embargo, el oxígeno debe:• Desplazarse por simple gradiente de

presiones parciales, desde la atmósfera hasta los alvéolos.

• Viajar disuelto en el plasma y líquidos intersticiales e intracelulares, a pesar de su baja solubilidad.

• Cruzar las paredes alveolares y de vasos sanguíneos, además de las membranas celulares y mitocondriales dependiendo sólo de gradientes de concentración.

CONCLUSIÓN• Hay circunstancias en que es aconsejable

usar procedimientos que mejoren el aporte de oxígeno al organismo, tanto para mejorar el rendimiento del individuo como para reparación de tejidos dañados.

• Para conseguir esto se puede:a) Respirar oxígeno puro o en alta concentración.b) Respirar oxígeno puro en ambiente hiperbárico

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