Efectos Biológicos del oxígeno - Doctor Allan White

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 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
CH2OH
CH2OH
o
H
o
H
H
H
H
H
OH
H
OH
OH
OH
H
OH
O
OH
H
H
H
H
H
OH
OH
OH
OH
H
H
H
H
OH
Maltosa
OH
H
o
OH
OH
H
CH2OH
OH
H
OH
O
α−D−
−Glucopiranosil−
−(1,4)-D-glucopiranosa
H
O
O
H
β-D-Galactopiranosil-1,4-D-glucopiranosa
Lactosa
CH2OH
CH2OH
o
H
CH2OH
H
H
H
H
OH
OH
H
OH
H
O
OH
H
OH
o
α-D-Glucopiranosil-(1,2)-β
β-D-fructofuranosa
HO
CH22OH
OH
CH
H
OH
H
Sacarosa
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
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
Número de protones + Número de neutrones
A
Número atómico Z X
Número másico (masa atómica)
Símbolo del elemento
4
2 He
Número de protones = Número de electrones
isótopo
átomo de deuterio
átomo de hidrógeno
hidrogenión (H+)
ión hidruro (H-)
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.
ENLACE IÓNICO
Cl -
Na +
Na + Cl -
ENLACE COVALENTE
Cl
Cl
Cl2
H2O
H
1S1
O
H
1S2
2S2 2px2 2py1 2pz1
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
• Luz + nCO2 + 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 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
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 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
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 CO2,
lo que se traduce en hipocapnia y alcalosis
respiratoria.
EJE CATABÓLICO BÁSICO
Otros azúcares
Glucosa
Acidos grasos
GLUCOLISIS
Piruvato
Acetil-CoA
+
CO2
OXAL
FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA
ATP
ADP + Pi
Aminoácidos
O2
CICLO DE
KREBS
(e- + H+)n
H2O
CADENA
RESPIRATORIA
acetil-CoA
1
oxalacetato
NADH + H+
8
ac
on
it a
sa
citrato
de
sh ma
id lat
ro o
ge
na
sa
NAD+
2
tasa
o sin
citrat
isocitrato
isocitrato a
genas
deshidro
malato
fumar
3
NADH + H+
CO2
asa
7
NAD+
α-cetoglutarato
fumarato
6
de s
sh uc
id cin
ro at
ge o
na
sa
FADH2
FAD
to
ra sa
a
ut na
gl ge
o
t
o
ce idr
α- sh
de
4
GDP + Pi
GTP
NAD+
NADH + H+
5
CO2
succinato
succinil-CoA
sintetasa
Succinil-CoA
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).
Proteínas ferro-sulfuradas.
NADH + H+ + ½ O 2
NAD+ + H2O
∆Gº’ = - 220 kJ/mol
FADH2 + ½ O 2
ADP + Pi
FAD + H2O
∆Gº’ = - 152 kJ/mol
ATP + H2O
∆Gº’ = 52 kJ/mol
OXÍGENO – SALUD - NORMALIDAD
Es así como la normalidad y la salud
están asociadas con un adecuado
aporte de oxígeno a las mitocondrias
de las células, mediante los sistemas
respiratorio y circulatorio.