5: Reacciones de dioxígeno

I. INTRODUCCIÓN ¹

La principal vía de uso de dioxígeno en organismos aeróbicos es la reducción de cuatro electrones para dar dos moléculas de agua por molécula de dioxígeno: ²

\[O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-} \rightarrow 2 H_{2}O \qquad E^{o} = +0.815 V \tag{5.1}\]

Esta reacción representa la principal fuente de energía en los organismos aeróbicos cuando se combina con la oxidación de alimentos orgánicos ricos en electrones, como la glucosa. La oxidación biológica de este tipo se llama respiración, y se ha estimado que representa el 90 por ciento o más del dioxígeno consumido en la biosfera. Se lleva a cabo por medio de una serie de reacciones catalizadas por enzimas que se acoplan a la síntesis de ATP, y el ATP producido es la principal fuente de energía para el organismo. El sitio real de la reducción del dioxígeno en muchos organismos es la enzima citocromo c oxidasa. ²

Otro uso del dioxígeno en organismos aeróbicos es funcionar como fuente de átomos de oxígeno en la biosíntesis de diversas moléculas en vías metabólicas, o en conversiones de moléculas solubles en lípidos a formas solubles en agua con fines de excreción. Estas reacciones también son catalizadas por enzimas, y las enzimas involucradas son enzimas monooxigenasa o dioxigenasa, dependiendo de si uno o ambos de los átomos de oxígeno del dioxígeno se incorporan en el producto orgánico final. Muchas de estas enzimas son metaloenzimas. ^2-4

Las ventajas de la vida en el aire son considerables para un organismo aeróbico en comparación con un organismo anaeróbico, principalmente porque el poderoso poder oxidante del dioxígeno puede controlarse y convertirse eficientemente en una forma que puede almacenarse y posteriormente utilizarse. ⁵ Pero el metabolismo aeróbico también tiene sus desventajas. El interior de una célula viva es un ambiente reductor, y muchos de los componentes de la célula son completamente capaces termodinámicamente de reaccionar directamente con el dioxígeno, evitando así las enzimas que controlan y dirigen las reacciones beneficiosas del dioxígeno. ⁶ Por suerte, por razones que se discuten a continuación, estas reacciones generalmente son lentas, y por lo tanto representan vías menores de consumo biológico de dioxígeno. De lo contrario, la célula simplemente se quemaría, y la vida aeróbica como la conocemos sería imposible. Sin embargo, hay pequeñas pero significativas cantidades de productos formados a partir de reacciones no enzimáticas y enzimáticas de dioxígeno que producen formas parcialmente reducidas de dioxígeno, es decir, superóxido, O ₂ ^-, y peróxido de hidrógeno, H ₂ O ₂, en células aeróbicas. Estas formas de dioxígeno reducido o especies derivadas de ellas podrían llevar a cabo reacciones perjudiciales, y se han identificado enzimas que parecen proteger contra tales peligros. Estas enzimas son, para el superóxido, las enzimas superóxido dismutasa, y, para las enzimas peróxido, catalasa y peroxidasa. Todas estas enzimas son metaloenzimas. ^2-4

Gran parte de la fascinación del tema de las reacciones biológicas del dioxígeno proviene del hecho de que los mecanismos de las reacciones biológicas catalizadas por enzimas son claramente muy diferentes de los de las reacciones no catalizadas del dioxígeno o incluso de las reacciones de dioxígeno catalizadas por una amplia variedad de catalizadores no biológicos que contienen metales. ⁷ Los investigadores creen, con optimismo, que una vez que realmente entiendan las reacciones biológicas, podrán diseñar catalizadores sintéticos que imiten a los catalizadores biológicos, al menos en la reproducción de los tipos de reacción, incluso si estos nuevos catalizadores no coinciden con las enzimas en velocidad y especificidad. Para introducir este tema, por lo tanto, primero consideramos los factores que determinan las características de las reacciones no biológicas del dioxígeno.

II. Química del Dioxígeno

1. Termodinámica

2. Cinética

3. Autoxidación por radicales libres

4. ¿Cómo superan las enzimas estas barreras cinéticas?

III. Toxicidad por dioxígeno

1. Antecedentes

2. Dianas Biológicas

3. Sistemas de Defensa y Reparación

   1. Capturadores de oxidantes no enzimáticos
   2. Enzimas de desintoxicación
   3. Sistemas para Secuestración de Iones Metálicos Redox Activos
   4. Sistemas para la Reparación o Reemplazo de Materiales Dañados

4. Mecanismos moleculares de toxicidad por dioxígeno

5. Resumen de Dioxygen Toxicity

IV. Citocromo c Oxidasa

1. Antecedentes

2. Caracterización espectroscópica

   1. Modelos
   2. Espectroscopía de la Enzima

3. Mecanismo de Reducción de Dioxígeno

   1. Modelos
   2. Estudios Mecanicistas de la Enzima

V. Oxigenasas

1. Antecedentes

2. Dioxigenasas

   1. Intradiol Catecol Dioxigenasas

3. Monoxigenasas

   1. Citocromo P-450
   2. Otras enzimas monoxigenasas que contienen metales

VI. Catalasa y Peroxidasa

1. Descripción de las Enzimas

2. Mecanismo

3. Comparaciones de Catalasa, Peroxidasa y Citocromo P-450

VII. Superóxido de cobre-zinc dismutasa

1. Antecedentes

2. Actividad Enzimática

3. Estructura

4. Actividad enzimática y mecanismo

5. Aniones como inhibidores

6. Sustituciones de iones metálicos

   1. Actividad SOD
   2. Espectroscopía

VIII. Referencias

1. Las referencias de este capítulo citan artículos o libros de revisión recientes cuando estén disponibles; estos se indican con (R) o (B), respectivamente, en la cita, y se dan los títulos de los artículos de revisión. Los estudiantes deben consultar estas fuentes si desean información más detallada sobre un tema en particular o referencias a la literatura original.
2. B. G. Malmström, “Enzymología del Oxígeno” (R), Annu. Rev. Bioquímica. 51 (1982), 21-59.
3. L. L. Ingraham y D. L. Meyer, Bioquímica del dioxígeno (B), Plenum, 1985.
4. O. Hayaishi, ed., Mecanismos Moleculares de Activación de Oxígeno (B), Prensa Académica, 1974, pp. 405- 451.
5. P. George, “La aptitud del oxígeno” (R), en T. E. King, H. S. Mason, y M. Morrison, eds., Oxidases and Related Redox Systems, Wiley, 1 (1965), 3-36.
6. B. Halliwell y J. M. C. Gutteridge, Radicales libres en biología y medicina (B), Clarendon Press, 1989.
7. R. A. Sheldon y J. K. Kochi, Oxidaciones catalizadas por metales de compuestos orgánicos (B), Academic Press, 1981.
8. D. T. Sawyer, “La química y activación de especies de dioxígeno (O ₂, O ₂ ^•-, y HOOH) en biología” (R), en A. E. Martell y D. T. Sawyer, eds., Complejos de oxígeno y activación de oxígeno por metales de transición, Plenum, 1988, pp. 131-148.
9. P. M. Madera, Tendencias en Bioquímica. Sci. 12 (1987), 250-251.
10. R. H. Holm, “Reacciones de transferencia de átomos de oxígeno centradas en metales” (R), Chem. Rev. 87 (1987), 1401- 1449.
11. Calculado a partir de los datos de D. D. Wagman et al. , Valores Seleccionados de Propiedades Químicas Termodinámicas, Instituto de Normas Básicas, NBS, 1968.
12. Calculado a partir de los datos de M. Bertholon et al. , Bull. Soc. Chim. Fr. 9 (1971), 3180-3187.
13. Calculado a partir de datos en A. Finch, P. J. Gardner, y D. Wu, Thermochim. Acta 66 (1983), 333-342.
14. L. Shaofeng y G. Pilcher, J. Chem. Termodinámica 20 (1988), 463-465.
15. G. A. Hamilton, “Modelos Químicos y Mecanismos para las Oxigenasas” (R), en la Referencia 4, pp. 405- 451.
16. H. Taube, “Mecanismos de Oxidación con Oxígeno” (R), J. Gen. Physiol. 49, parte 2 (1965), 29-52.
17. J. G. Calvert y J. N. Pitts, Fotoquímica, Wiley, 1966.
18. H. H. Wasserman y R. W. Murray, eds., Singlet Oxygen (B), Academic Press, 1979.
19. A. A. Frimer, ed., Singlet O ₂ (B), CRC Press, 1985.
20. T. C. Bruice, “Chemical Studies and the Mechanism of Flavin Mixed Function Oxidasa Enzymes (R), en J. F. Liebman y A. Greenberg, eds., Mechanical Principles of Enzyme Activity, VCH Publishers, 1988, pp. 315-352.
21. Referencia 7, p. 18.
22. Referencia 7, p. 316.
23. Referencia 3, p. 16.
24. N. A. Porter et al. , J. Am. Chem. Soc. 103 (1981), 6447-6455.
25. W. Day, Génesis en el planeta Tierra: La búsqueda del comienzo de la vida, Yale University Press, 2d ed., 1984.
26. D. L. Gilbert, ed., Oxígeno y procesos vivos: un enfoque interdisciplinario (B), Springer-Verlag, 1981.
27. B. Quebedeaux et al. , Fisiol Vegetal. 56 (1975), 761-764.
28. O. R. Brown y F. Yein, Biochem. Biofías. Res. Commun. 85 (1978), 1219-1224.
29. L. J. Machlin y A. Bendich, FASEB J. 1 (1987), 441-445.
30. D. S. Tarbell, en N. Kharasch, ed., Compuestos orgánicos de azufre, Pérgamo, 1 (1961), 97-102.
31. C. Walling, Acc. Chem. Res. 8 (1975), 125-132.
32. D. C. Harris y P. Aisen, en T. M. Loehr, ed., Iron Carriers and Iron Proteins, VCH Publishers, 1989, pp. 239-371.
33. G. Storz, L. A. Tartaglia, y B. N. Ames, Science 248 (1990), 189-194, y referencias en los mismos.
34. T. Keng y L. Guarente, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84 (1987), 9113-9117, y sus referencias.
35. R. Gerschman et al. , Ciencia 119 (1954), 623-626.
36. J. M. McCord y J. Fridovich, J. Biol. Chem. 244 (1969), 6049-6055.
37. D. T. Sawyer y J. S. Valentine, “¿Qué tan Súper es el Superóxido?” (R), Acc. Chem. Res. 14 (1981), 393- 400.
38. L. W. Oberley, ed., Superóxido dismutasa, CRC Press, 2 vols., 1982, vol. 3, 1985.
39. J. A. Fee, “¿Es importante el superóxido en la intoxicación por oxígeno?” (R), Tendencias Bioquímica. Sci. 7 (1982), 84- 86, y referencias en ellas.
40. P. Korbashi et al. , J. Biol. Chem. 264 (1989), 8479-8482.
41. E. R. Stadtman, “Oxidación catalizada por iones metálicos de proteínas: mecanismo bioquímico y consecuencias biológicas” (R), Radicales libres en biología y medicina 9 (1990), 315-325.
42. D. O. Natvig et al. , J. BioI. Chem. 262 (1987), 14697-14701.
43. C. Bowler et al. , J. Bacteriol. 172 (1990), 1539-1546.
44. M. Wikstrom y G. T. Babcock, Nature 348 (1990), 16-17.
45. G. Palmer, “Citocromo Oxidasa: una perspectiva” (R), Pura Appl. Chem. 59 (1987), 749-758.
46. T. Vanngard, ed., Biophysical Chemistry of Dioxygen Reactions in Respiration and Photosynthesis, Chemica Scripta 28A (B), Cambridge University Press, 1988.
47. W. R. Scheidt y C. A. Reed, “Relaciones Spin/Estereoquímicas en Porfirinas de Hierro: Implicaciones para las Hemoproteínas” (R), Chem. Rev. 81 (1981), 543-555.
48. F. S. Mathews, M. Levine, y P. Argos, J. Mol. Biol. 64 (1972), 449-464.
49. W. E. Blumberg y J. Peisach, Adv. Chem. Ser. 100 (1971), 271-291.
50. J. Peisach, W. E. Blumberg, y A. Adler, Ann. N.Y. Acad. Sci. 206 (1973), 310-327.
51. J. P. Collman, T. R. Halbert, y K. S. Suslick, “O ₂ Unión a proteínas hemo y sus análogos sintéticos” (R), en T. G. Spiro, ed., Metal-Ion Activation of Dioxygen, Wiley, 1980, pp. 1-72.
52. R. Quinn, M. Nappa, y J. S. Valentine, J. Am. Chem. Soc. 104 (1982), 2588-2595.
53. F. A. Cotton y G. Wilkinson, Química Inorgánica Avanzada, Wiley, 5a ed., 1988, pp. 755-775.
54. T. H. Stevens et al. , J. Biol. Chem. 257 (1982), 12106-12113.
55. W. B. Mims et al. , J. Biol. Chem. 255 (1980), 6843-6846.
56. T. H. Stevens et al. , Proc. Natl. Acad. Sci USA 76 (1979), 3320-3324.
57. T. A. Kent et al. , J. Biol. Chem. 258 (1983), 8543-8546.
58. J. Cline et al. , J. Biol. Chem. 258 (1983), 5124-5128.
59. T. H. Stevens y S. I. Chan, J. Biol. Chem. 256 (1981), 1069-1071.
60. D. H. Chin, G. N. La Mar, y A. Balch, J. Am. Chem. Soc. 102 (1980), 4344-4350.
61. A. L. Balch et al. , J. Am. Chem. Soc. 106 (1984), 7779-7785.
62. K. D. Karlin e Y. Gultneh, “Unión y Activación del Oxígeno Molecular por Complejos de Cobre” (R), Prog. Inorg. Chem. 35 (1987), 219-327.
63. R. Jacobson y col. , J. Am. Chem. Soc. 110 (1988), 3690-3692.
64. N. Kitajima, K. Fujisawa, e Y. Moro-oka, J. Am. Chem. Soc. 111 (1989), 8975-8976.
65. S. Han, Y.-C. Chin, y D. L. Rousseau, Nature 348 (1990), 89-90.
66. L. Que, Jr., “Las Catecol Dioxigenasas” (R), en la Referencia 32, pp. 467-524.
67. L. Que, Jr., “Estudios Espectroscópicos de las Catecol Dioxigenasas” (R), J. Chem. Ed. 62 (1985), 938- 943.
68. J. W. Whittaker y col. , J. Biol. Chem. 259 (1984), 4466-4475.
69. Y. Tomimatsu, S. Kint, y J. R. Scherer, Bioquímica 15 (1976), 4918-4924.
70. D. H. Ohlendorf, J. D. Lipscomb, y P. C. Weber, Nature 336 (1988), 403-405.
71. D. D. Cox y L. Que, Jr., J. Am. Chem. Soc. 110 (1988), 8085-8092.
72. Y. Sawaki y C. S. Foote, J. Am. Chem. Soc. 105 (1983), 5035-5040.
73. P. R. Ortiz de Montellano, ed., Citocromo P-450: Estructura, Mecanismo y Bioquímica (B), Pleno, 1986.
74. K. Lerch, “Monooxigenasas de cobre: tirosinasa y\(\beta\) dopamina-monooxigenasa” (R), iones metálicos Biol. Syst. 13 (1981), 143-186.
75. J. Green y H. Dalton, J. Biol. Chem. 264 (1989), 17698-17703, y sus referencias.
76. A. Ericson et al. , J. Am. Chem. Soc. 110 (1988), 2330-2332.
77. J. E. Colbert, A. G. Katopodis, y S. W. May, J. Am. Chem. Soc. 112 (1990), 3993-3996, y referencias en ellas.
78. L. C. Stewart y J. P. Klinman, “\(\beta\)Dopamina-hidroxilasa de gránulos de cromafin suprarrenal: estructura y función” (R), Anni. Rev. Bioquímica. 57 (1988), 551-592.
79. T. A. Dix y S. J. Benkovic, “Mecanismo de Activación de Oxígeno por Monooxigenasas Dependientes de Pteridina” (R), Acc. Chem. Res. 21 (1988), 101-107.
80. T. L. Poulos, “La estructura cristalina del citocromo P-450 _cam" (R), en la Referencia 73, pp. 505-523.
81. T. J. McMurry y J. T. Groves, “Modelos de metaloporfirina para el citocromo P-450" (R), en la Referencia 73, pp. 1-28.
82. J. T. Groves, T. E. Nemo, y R. S. Myers, J. Am. Chem. Soc. 101 (1979), 1032-1033.
83. . J. T. Groves, “Elementos Clave de la Química del Citocromo P-450: El Mecanismo de Rebote de Oxígeno” (R), J. Chem. Ed. 62 (1985), 928-931.
84. D. Dolphin et al. , Ann. N.Y. Acad. Sci. 206 (1973) ,177-200.
85. E. McCandlish y col. , J. Am. Chem. Soc. 102 (1980), 4268-4271.
86. J. N. Burstyn et al. , J. Am. Chem. Soc. 110 (1988), 1382-1388.
87. J. S. Valentine, J. N. Burstyn, y L. D. Margerum, “Mecanismos de activación de dioxígeno en monooxigenasas que contienen metales: enzimas y sistemas modelo” (R), en la Referencia 8, pp. 175-187.
88. T. C. Bruice, “Estudios Químicos Relacionados con las Oxidasas de Función Mixta de Protoporfirina-IX de Hierro” (R), en la Referencia 20, pp. 227-277.
89. T. G. Traylor, W.-P. Fann, y D. Bandyopadhyay, J. Am. Chem. Soc. 111 (1989), 8009-8010.
90. R. Raag y T. L. Poulos, Bioquímica 28 (1989), 7586-7592, y sus referencias.
91. P. R. Ortiz de Montellano, “Activación y transferencia de oxígeno” (R), en la Referencia 73, pp. 217-271.
92. K. Murata et al. , J. Am. Chem. Soc. 112 (1990), 6072-6083, y referencias en ellas.
93. T. G. Traylor y J. P. Ciccone, J. Am. Chem. Soc. 111 (1989), 8413-8420, y referencias en ellas.
94. J. Everse, K. E. Everse, y M. B. Grisham, eds., Peroxidasa en Química y Biología (B), CRC Press, 1991.
95. H. B. Dunford, “Peroxidasa” (R), Adv. Inorg. Bioquímica. 4 (1982), 41-68.
96. T. L. Poulos y J. Kraut, J. Biol. Chem. 225 (1980), 8199-8205.
97. M. Morrison y G. R. Schonbaum, Anni. Rev. Bioquímica. 45 (1976), 861-888.
98. R. Quinn et al. , J. Am. Chem. Soc. 106 (1984), 4136-4144.
99. P. R. Ortiz de Montellano et al. , J. Biol. Chem. 262 (1987), 11641-11646.
100. J. S. Valentine y M. W. Pantoliano, “Interacciones proteína-iones metálicos en la proteína cuprozinc (superóxido dismutasa)” (R), en T. G. Spiro, ed., Copper Proteins, 1981, pp. 291-358.
101. J. S. Valentine y D. Mota de Freitas, J. Chem. Ed. 62 (1985), 990-997.
102. J. V. Bannister, W. H. Bannister, y G. Rotilio, “Aspectos de la Estructura, Función y Aplicaciones de la Superóxido Dismutasa” (R), CRC Crit. Rev. Bioquímica. 22 (1987), 111-180.
103. Ver Referencia 38.
104. S. B. Farr, R. D'Ari, y D. Touati, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83 (1986), 8268-8272.
105. O. Bermingham-McDonogh, E. B. Gralla, y J. S. Valentine, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 (1988), 4789-4793.
106. J. S. Valentine y A. B. Curtis, J. Am. Chem. Soc. 97 (1975), 224-226.
107. M. Nappa et al. , J. Am. Chem. Soc. 101 (1979), 7744-7746.
108. G. J. McClune et al. , J. Am. Chem. Soc. 99 (1977), 5220-5222.
109. P. Natarajan y N. V. Raghavan, J. Am. Chem. Soc. 102 (1980), 4518-4519.
110. M. W. Pantoliano et al. , J. Inorg. Bioquímica. 17 (1982), 325-341.
111. J. A. Roe et al. , Bioquímica 27 (1988), 950-958.
112. J. A. Tainer et al. , Nature 306 (1983) ,284-289.
113. J. A. Fee y C. Bull, J. Biol. Chem. 261 (1986), 13000-13005.
114. I. Bertini et al. , J. Am. Chem. Soc. 111 (1989), 714-719.
115. L. Banci et al. , Inorg. Chem. 27 (1988), 107-109.
116. D. Mota de Freitas et al. , Inorg. Chem. 26 (1987), 2788-2791.
117. L.-J. Ming y J. S. Valentine, J. Am. Chem. Soc. 109 (1987), 4426-4428.
118. I. Bertini et al. , J. Am. Chem. Soc. 107 (1985), 4391-4396.
119. L.-J. Ming y col. , Inorg. Chem. 27 (1988), 4458-4463.
120. L. Banci et al. , Inorg. Chem. 29 (1990), 2398-2403, y referencias en ellas.
121. J. A. Imlay e I. Fridovich, J. Biol. Chem. 266 (1991), 6957-6965.
122. P. R. Gardner e I. Fridovich, J. BioI. Chem. 266 (1991), 19328-19333.
123. J. S. Beckman et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. Estados Unidos 87 (1990), 1620-1624.
124. P. R. Ortiz de Montellano, Annú. Rev. Farmacol. 32 (1992) ,89-107.
125. El autor agradece el apoyo a la investigación de la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de la Salud mientras se escribía este capítulo, la asistencia editoral del Dr. Bertram Selverstone, y la paciencia y el apoyo del Dr. Andrew J. Clark.
126. Recientemente se ha sugerido que el sitio Cu _A en la citocromo c oxidasa puede contener dos iones de cobre. Ver P. M. Kroneck et aI. , FEBS 268 (1990), 274-276.
127. Recientemente ha aparecido una excelente reseña relevante para este capítulo. K. D. Karlin, Ciencia 261 (1993), 701-708.

Colaboradores y Atribuciones

• Joan Selverstone Valentine (Universidad de California, Los Ángeles, Departamento de Química y Bioquímica)