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.