Tema 1 Reacción Redox

Reacciones REDOX

Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un elemento que cedaelectrones y otro que los acepte:

§  El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir; oxidándose.

§  El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir; reducido.

Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un par redox. Análogamente, se dice que cuando un elemento químico capta electrones del medio se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor oxidado.

La oxidación es una reacción química muy poderosa donde un compuesto cedeelectrones, y por lo tanto aumenta suestado de oxidación.² Se debe tener en cuenta que en realidad una oxidación o una reducción es un proceso por el cual cambia el estado de oxidación de un compuesto. Este cambio no significa necesariamente un intercambio de electrones. Suponer esto -que es un error común- implica que todos los compuestos formados mediante un proceso redox son iónicos, puesto que es en éstos compuestos donde sí se da un enlace iónico, producto de la transferencia de electrones.

Por ejemplo, en la reacción de formación del cloruro de hidrógeno a partir de los gases dihidrógeno y dicloruro, se da un proceso redox y sin embargo se forma un compuesto covalente.

Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reaccionesredox.

La propia vida es un fenómeno redox. El oxígeno es el mejor oxidante que existe debido a que la molécula es poco reactiva (por su doble enlace) y sin embargo es muy electronegativo, casi como el flúor.

La sustancia más oxidante que existe es el catión KrF⁺porque fácilmente forma Kr y F⁺.

Entre otras, existen el permanganato de potasio (KMnO₄), eldicromato de potasio (K₂Cr₂O₇), el agua oxigenada (H₂O₂), elácido nítrico (HNO₃), los hipohalitos y los halatos (por ejemplo el hipoclorito de sodio (NaClO) muy oxidante en medioalcalino y el bromato de potasio (KBrO₃)). El ozono (O₃) es un oxidante muy enérgico:

Br⁻ + O₃ → BrO₃⁻

El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisición de átomos de oxígeno (cesión deelectrones) o viceversa. Sin embargo, la oxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de oxígenode por medio, por ejemplo, la oxidación de yoduro de sodio ayodo mediante la reducción de cloro a cloruro de sodio:

2 NaI + Cl₂ → I₂ + 2 NaCl

Esta puede desglosarse en sus dos semirreacciones correspondientes:

§  2I⁻ → I₂ + 2 e⁻

§  Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl

Ejemplo

El hierro puede presentar dos formas oxidadas:

§  Óxido ferroso: FeO.

§  Óxido férrico: Fe₂O₃

[editar]Reducción

En química, reducción es el proceso electroquímico por el cual un átomo o ion gana electrones. Implica la disminución de su estado de oxidación. Este proceso es contrario al deoxidación.

Cuando un ion o un átomo se reduce presenta estas características:

§  Gana electrones.

§  Actúa como agente oxidante.

§  Es reducido por un agente reductor.

§  Disminuye su estado o número de oxidación.

Ejemplo

El ion hierro (III) puede ser reducido a hierro (II):

Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺

En química orgánica, la disminución de enlaces de átomos deoxígeno a átomos de carbono o el aumento de enlaces dehidrógeno a átomos de carbono se interpreta como una reducción. Por ejemplo:

§  CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (el etino se reduce para dareteno).

§  CH₃–CHO + H₂ → CH₃–CH₂OH (el etanal se reduce aetanol).

Dentro de una reacción global redox, se da una serie de reacciones particulares a las cuales se les llama semirreacciones o reacciones parciales.

2 Na⁺ + 2 Cl⁻ → 2 Na + Cl₂

o más comúnmente:

2 NaCl → 2 Na + Cl₂

La tendencia a reducir u oxidar a otros elementos químicos se cuantifica por el potencial de reducción, también llamado potencial redox.

Una titulación redox es una en la que un indicador químico indica el cambio en el porcentaje de la reacción redox mediante el viraje de color entre el oxidante y el reductor.

La oxidación es una reacción química muy poderosa donde un compuesto cedeelectrones, y por lo tanto aumenta suestado de oxidación.² Se debe tener en cuenta que en realidad una oxidación o una reducción es un proceso por el cual cambia el estado de oxidación de un compuesto. Este cambio no significa necesariamente un intercambio de electrones. Suponer esto -que es un error común- implica que todos los compuestos formados mediante un proceso redox son iónicos, puesto que es en éstos compuestos donde sí se da un enlace iónico, producto de la transferencia de electrones.

Por ejemplo, en la reacción de formación del cloruro de hidrógeno a partir de los gases dihidrógeno y dicloruro, se da un proceso redox y sin embargo se forma un compuesto covalente.

Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reaccionesredox.

La propia vida es un fenómeno redox. El oxígeno es el mejor oxidante que existe debido a que la molécula es poco reactiva (por su doble enlace) y sin embargo es muy electronegativo, casi como el flúor.

La sustancia más oxidante que existe es el catión KrF⁺porque fácilmente forma Kr y F⁺.

Entre otras, existen el permanganato de potasio (KMnO₄), eldicromato de potasio (K₂Cr₂O₇), el agua oxigenada (H₂O₂), elácido nítrico (HNO₃), los hipohalitos y los halatos (por ejemplo el hipoclorito de sodio (NaClO) muy oxidante en medioalcalino y el bromato de potasio (KBrO₃)). El ozono (O₃) es un oxidante muy enérgico:

Br⁻ + O₃ → BrO₃⁻

El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisición de átomos de oxígeno (cesión deelectrones) o viceversa. Sin embargo, la oxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de oxígenode por medio, por ejemplo, la oxidación de yoduro de sodio ayodo mediante la reducción de cloro a cloruro de sodio:

2 NaI + Cl₂ → I₂ + 2 NaCl

Esta puede desglosarse en sus dos semirreacciones correspondientes:

§  2I⁻ → I₂ + 2 e⁻

§  Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl

Oxidaciones y reducciones biológicas

metabolismo de todos los seres vivos, los procesos redox tienen una importancia capital, ya que están involucrados en la cadena de reacciones químicas de la fotosíntesis y de larespiración aeróbica. En ambas reacciones existe unacadena transportadora de electrones formada por una serie de complejos enzimáticos, entre los que destacan loscitocromos; estos complejos enzimáticos aceptan (se reducen) y ceden (se oxidan) pares de electrones de una manera secuencial, de tal manera que el primero cede electrones al segundo, éste al tercero, etc., hasta un aceptor final que se reduce definitivamente; durante su viaje, los electrones van liberando energía que se aprovecha para sintetizar enlaces de alta energía en forma de ATP.

Otro tipo de reacción redox fundamental en los procesos metabólicos son las deshidrogenaciones, en las cuales un enzima (deshidrogenasa) arranca un par de átomos dehidrógeno a un sustrato; dado que el átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón, dicho sustrato se oxida (ya que pierde electrones). Dichos electrones son captados por moléculas especializadas, principalmente las coenzimasNAD⁺, NADP⁺ y FAD que al ganar electrones se reducen, y los conducen a las cadenas transportadoras de electrones antes mencionadas.

El metabolismo implica cientos de reacciones redox. Así, elcatabolismo lo constituyen reacciones en que los sustratos se oxidan y las coenzimas se reducen. Por el contrario, las reacciones del anabolismo son reacciones en que los sustratos se reducen y los coenzimas se oxidan. En su conjunto, catabolismo y anabolismo constituyen elmetabolismo.

Bibliografía

1.   Quimica para el nuevo Milenio- 8b: Edicion.Escrito por John William Hill, Doris K Kolb. Página 204. ( books.google.es ).

2.   Química: la ciencia central Escrito por Theodore L. Brown,Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge. Página 128. ( books.google.es ).

Tema 2 ATP

Adenosin Trifosfato ATP

El adenosin trifosfato es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipopentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfatos.

Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula es C10H16N5O13P3.

Las reacciones endergónicas se manifiestan durante los procesos anabólico que requieren energía para convertir losreactivos (sustratos o combustibles metabólicos) enproductos. Por otro lado, durante las reacciones exergónicasse libera energía como resultado de los procesos químicos (ejemplo: el catabolismo de macromoléculas). La energía libre en un estado organizado, disponible para trabajo biológico útil. Las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas. Las reacciones exergónicas pueden estar acopladas con reacciones endergónicas. Reacciones de oxidación-reducción (redox) son ejemplos de reacciones exergónicas y endergónicas acopladas.

Los organismos pluricelulares del Reino Animal se alimentan principalmente de metabolitos complejos (proteínas, lípidos,glúcidos) que se degradan a lo largo del tracto intestinal, de modo que a las células llegan metabolitos menos complejos que los ingeridos, por ejemplo vía la oxidación a través de reacciones químicas degradativas (catabolismo). Los metabolitos simples y la energía obtenida en este proceso (retenida en su mayoría en el ATP) conforman los elementos precursores para la síntesis de los componentes celulares. A todo el conjunto de reacciones de síntesis se llamaanabolismo.

Además, en el catabolismo (oxidación) se produce una liberación de electrones que son captados por moléculas transportadoras de electrones como el NAD⁺ (que al aceptar electrones se reduce a NADH).

Recapitulando, la síntesis (anabolismo) de los compuestos celulares se realiza con los metabolitos simples, utilizando la energía contenida en el ATP y los electrones contenidos en el NAD, siendo un proceso reductivo (reducción de electrones). Podría decirse que el ATP es la moneda de intercambio energético debido a su estructura química. Cuando se hidroliza libera mucha energía que es captada por lasenzimas que catalizan las reacciones de biosíntesis.

LMACENAMIENTO DE ATP

Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo. En principio, el ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida (como es el caso de determinados gases de combate diseñados para tal fin; o venenos como el cianuro, que bloquean la cadena respiratoria; o el arsénico, que sustituye el fósforo y hace que sean inutilizables las moléculas fosfóricas).

Las moléculas de creatina enlazan un fosfato mediante un enlace rico en energía como el ATP. El ADP puede convertirse en ATP por acoplamiento con la hidrólisis de fosfato de creatina. La creatina, por tanto, recicla el fosfato liberado por la hidrólisis de la molécula de ATP original. Esto ayuda a mantener la energía fácilmente movilizada sin agotar las reservas de ATP.

El ATP no se puede almacenar en su estado natural, sino sólo como intermediarios de la cadena de producción de ATP. Por ejemplo, el glucógeno puede ser convertido en glucosa y aportar combustible a la glucolisis si el organismo necesita más ATP. El equivalente vegetal del glucógeno es el almidón. La energía puede también ser almacenada como grasa, mediante neo-síntesis de ácidos grasos.

Bibliografía

Murugappa S, Kunapuli SP, "The role of ADP receptors in platelet function", Front Biosci., 2006, 11:1977-86

Tema 3 Bioenergetica Mitocondrial

 Bionergetica Mitocondrial

La bioenergetica es la parte de la biología muy relacionada con la física, que se encarga del estudio de los procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. En general, la Bioenergética se relaciona con la Termodinámica, en particular con el tema de la Energía Libre, en especial la Energía Libre de Gibbs. Los cambios en la energía libre de Gibbs ΔG nos dan una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no. Como una característica general de La Bioenergética, esta solo se interesa por los estados energéticos inicial y final de los componentes de una reacción química, los tiempos necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo en general se desprecian. Un objetivo general de la Bioenergética, es predecir si ciertos procesos son posibles o no; en general, la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción química.

La fosforilación oxidativa mitocondrial engloba las reacciones que llevan a la síntesis de ATP utilizando la energía disponible tras la oxidación de sustratos en la cadena respiratoria. El acoplamiento de los dos procesos se realiza a través del gradiente de protones que es generado por la cadena respiratoria. Nuestro grupo investiga mecanismos que modulan la eficiencia energética de este proceso.

Las proteínas desacoplantes (abreviado "UCP", del inglés "uncoupling protein") son transportadores de la membrana interna mitocondrial cuya función biológica es la disipación controlada del gradiente de protones. Existe un gran número de procesos que parecen requerir de la participación de las UCPs. A modo de ejemplo, este mecanismo disipador de energía es utilizado por los mamíferos para mantener la temperatura corporal cuando están expuestos al frío e incluso para quemar el exceso de calorías ingeridas en la dieta. Además las UCPs, al catalizar la re-entrada de los protones a la matriz mitocondrial, aceleran la respiración mitocondrial y como consecuencia reducen la producción de especies reactivas del oxígeno (ROS) siendo, por tanto, un elemento adicional de defensa frente al estrés oxidativo. Así, la proteína desacoplante UCP2, que se encuentra en numerosos tejidos y órganos, se sobre-expresa en procesos patológicos en los que las ROS juegan un papel importante para el desarrollo de la enfermedad (aterosclerosis, cáncer, inflamación crónica, etc.)

Durante estos últimos años se ha puesto de manifiesto que los genes que codifican proteínas desacoplantes tienen una distribución muy amplia, habiéndose encontrado no sólo en animales sino también en plantas e incluso en organismos unicelulares. Esta amplia presencia sugiere que el desacoplamiento de la fosforilación oxidativa es una estrategia adoptada de modo general por los seres vivos para regular la eficiencia energética y modular, por ejemplo, la producción mitocondrial de ROS.

El grupo lleva cerca de treinta años centrado en el estudio del mecanismo molecular de transporte y regulación de las proteínas desacoplantes UCP1 y UCP2 así como su papel en la fisiología.

mitocondria cumple un papel central en el flujo energético de la célula debido a que realiza una función metabólica consistente en transferir o transformar la energía química potencial almacenada en las uniones covalentes de ciertas moléculas como la glucosa o ácidos grasos en energía química almacenada en las uniones covalentes entre fosfatos del ATP. Esta última forma de energía química potencial es faciltamente utilizable por la célula y ha sido seleccionada a lo largo de la evolución filogenética como el mecanismo por medio del cual todos los procesos celulares que requieren del uso de energía disponen con facilidad de la misma. Además de proporcionar energía en la célula, las mitocondrias están implicadas en otros procesos, como la señalización celular, diferenciación celular,isostasia del calcio,muerte celular programada, así como el control del ciclo celular y el crecimiento celular.⁴ En rigor, la mitocondría está involucrada, directa o indirectamente, en todos los procesos fisicoquímicos que requieren el uso de energía para su ejecución. Vale decir, todos aquellos procesos que, desde el punto de vista termodinámico, no se realizan espontáneamente.

Algunas características hacen únicas a las mitocondrias. Su número varía ampliamente según el tipo de organismo o tejido. Algunas células carecen de mitocondrias o poseen sólo una, mientras que otras pueden contener varios miles.^5 6 Este orgánulo se compone de compartimentos que llevan a cabo funciones especializadas. Entre éstos se encuentran la membrana mitocondrial externa, el espacio intermembranoso, la membrana mitocondrial interna, las crestas y la matriz mitocondrial. Las proteínas mitocondriales varían dependiendo del tejido y de las especies: en humanos se han identificado 615 tipos de proteínas distintas en mitocondrias de músculo cardíaco;⁷mientras que en ratas se han publicado 940 proteínas codificadas por distintos genes.⁸ Se piensa que el proteoma mitocondrial está sujeto a regulación dinámica.⁹ Aunque la mayor parte del ADN de la célula está en el núcleo celular, la mitocondria tiene su propio genoma, que muestra muchas semejanzas con los genomas bacterianos.¹⁰

Existen varias enfermedades de origen mitocondrial, algunas de las cuales producen disfunción cardiaca,^11 12 y muy probablemente participa en el proceso de envejecimiento.

Bibliografía

§  M. Cooper, Geoffrey. Marban. ed. La Célula (2 ed. edición).ISBN 84-7101-356-8.

§  M. Devlin, Tomas (2004). Bioquímica. Barcelona: Reverté.ISBN 84-291-7208-4.

§  Contreras Vazquez, Edgar (2003)