Diapositiva 1

1
BOLILLA 3
Cadena respiratoria. Ubicación celular.
Componentes de la cadena respiratoria. Función.
Fosforilación oxidativa Síntesis de ATP. Acción
de Inhibidores Desacoplantes, inhibidores de la
fosforilación, inhibición del transporte
electrónico. Control respiratorio. Sistema
microsómico Metabolismo de xenobióticos
2

• OXIDACIONES BIOLÓGICAS
• Hace 2000 millones de años, los procariotas
  (cianobacterias), comenzaron a crear una
  atmósfera oxigenada.
• El oxígeno que producían como producto de
  deshecho de la fotosíntesis desencadenó una
  verdadera revolución en el mundo vivo.
• Los organismos aerobios modernos transforman la
  energía del enlace químico de las moléculas de
  alimentos, en energía del enlace del ATP
  empleando oxígeno como aceptor final de los
  electrones procedentes de los alimentos.
• La utilización de oxígeno por parte de los
  organismos aerobios proporciona enormes ventajas
  si los comparamos con formas de vida anaerobias,
  debido a que la oxidación aerobia de nutrientes
  tales como glucosa y ácidos grasos, proporciona
  una cantidad de energía sustancialmente mayor que
  la fermentación.

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• La enorme diferencia de capacidad generadora de
  energía entre los organismos aerobios y
  anaerobios está directamente relacionada con las
  propiedades físicas y químicas del oxígeno.
• La primera de ellas es que el oxígeno se
  encuentra en toda la superficie de la tierra.
• La segunda es que el oxígeno difunde fácilmente a
  través de las membranas celulares, cosa que no
  ocurre con otros aceptores de electrones.
• Por último, la molécula de oxígeno es muy
  reactiva de modo que acepta fácilmente los
  electrones.
• Esto también se relaciona con otra propiedad del
  oxígeno que es su tendencia a formar metabolitos
  tóxicos.

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SOL
O2
HETEROTROFOS
AUTOTROFOS FOTOSINTETICOS
CO2
5
Compuestos con uniones ricas en energía
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Desde el punto de vista químico

• OXIDACIÓN
• Ganancia de oxígeno
• Pérdida de electrones
• Pérdida de hidrógeno

• REDUCCIÓN
• Pérdida de oxígeno
• Ganancia de electrones
• Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos)

Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a
los sistemas bioquímicos y es un concepto
importante para la comprensión de la naturaleza
de las oxidaciones biológicas.
El uso principal del OXÍGENO es en la
RESPIRACIÓN Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS
CÉLULAS OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP
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OXIDACION-REDUCCION
O2

e-
OXIDACION
-
-
H
O2
-
REDUCCION
e-

H

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EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA
LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL
POTENCIAL DE OXIDACIÓN REDUCCIÓN LAS ENZIMAS
QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE
DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS
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Oxidorreductasas Catalizan reacciones de oxido-
reducción Ared Box Aox Bred A es el
reductor o dador electrónico en el curso de la
reacción se oxida (pierde electrones) B es
el oxidante o aceptor electrónico en el curso de
la reacción se reduce (gana electrones) En las
reacciones redox, siempre tienen que
estar presentes a la vez el aceptor y el dador
electrónico
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DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES
EN LA CELULA
3.- Transferencia de un ion Hidruro (H-)
AH2 NAD ? A NADH H
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POTENCIAL DE REDUCCION

• POTENCIAL DE REDUCCION DE UN ELEMENTO, ION O
  COMPUESTO ES SU TENDENCIA A GANAR O PERDER
  ELECTRONES FRENTE A OTRO ELEMENTO, ION O
  COMPUESTO

Oxidación
Reducción
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CUPLA REDOX

• La forma oxidada y reducida en cada hemirreacción
  constituyen un par o cupla redox
• Na/Na , Cl/Cl- (Sentido de la reducción)
• Eo Potencial de reducción Estándar? Se
  determina en comparación con el
• potencial de hidrógeno 0
• Signo positivo () par redox con mayor
  tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción
• Signo negativo (-) par redox con menor
  tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción

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Potenciales de reducción estándar
2 H 2 e- ? H2
-0.42 V NAD
H 2 e- ? NADH
-0.32 V S 2 H 2 e- ? H2S
-0.23
V FAD 2 H 2 e- ? FADH2
-0.22 V Acetaldehído
2 H 2 e- ? etanol
-0.20 V Piruvato 2 H 2 e- ? lactato
-0.19 V Cu ? Cu2
e-
-0.16 V Citocromo b (Fe3) e-
? citocromo b (Fe2) 0.075 V
Citocromo c1 (Fe3) e- ? citocromo c1 (Fe2)
0.22 V Citocromo c (Fe3) e- ?
citocromo c (Fe2) 0.235 V Citocromo
a (Fe3) e- ? citocromo a (Fe2) 0.29
V Fe3 e- ? Fe2
0.77 V ½ O2
2 H 2 e- ? H2O
0.82 V
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Representación esquemática de una oxidación
biológica
A (OX)
BH2 (RED)
Sustrato H2
C (OX)
H2O
AH2 (RED)
B (OX)
CH2 (RED)
Sox
½ O2
E
E
E
E
O2
S
Escala de Potencial de reducción
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Flujo de electrones en las oxido-reducciones
biológicas
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• TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
• En la mayoría de las reacciones de oxidación
  celular, los electrones son transportados por
  moléculas que se reducen en los procesos
  catabólicos
• Permitiendo así la conservación de la energía
  liberada por la oxidación de los sustratos.

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• Gran parte de los sustratos oxidados en el
  organismo sufren deshidrogenación.
• Las reacciones de deshidrogenación son
  catalizadas por las
• ENZIMAS DESHIDROGENASAS
• En estas reacciones el hidrógeno es captado por
  una coenzima.
• Las coenzimas pueden ser
• - Nicotinamida (NAD o NADP)
• - Flavina (FAD o FMN).

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OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS)

• Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas
• Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas

H-
AH2 NAD A NADH H
e- H
AH2 FAD (FMN) A FADH2 (FMNH2)
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LA MITOCONDRIA
FÁBRICA DE ENERGÍA CELULARES EL SITIO DONDE
TIENEN LUGAR EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y LA
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
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• En los organismos, los nutrientes son degradados
  para liberar la energía contenida en sus
  estructuras.
• Esta energía es capturada y transformada en un
  tipo de energía química que pueda ser utilizada
  por las células para la realización de trabajo.
• El modo de obtener energía de los organismos
  aerobios es fundamentalmente por medio de
  reacciones de oxidación en la que los nutrientes
  son degradados a CO2 y agua.

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(No Transcript)
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• CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
• Los componentes de la cadena se encuentran en la
  membrana mitocondrial interna.
• Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2
  producidos en la matriz.
• Los componentes actúan secuencialmente en orden
  creciente según sus potenciales de reducción.
• La energía que se libera durante la transferencia
  electrónica está acoplada a varios procesos
  endergónicos entre los que se destaca la síntesis
  de ATP.

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La cadena transportadora de electrones

• El NADHH y el FADH2, obtenidos en el ciclo de
  Krebs, van a entrar en una cadena transportadora
  de electrones o cadena respiratoria, donde pasan
  los electrones, de una molécula reducida a otra
  oxidada, hasta el aceptor final que será el
  oxígeno molecular, que al reducirse formará agua.

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La Cadena de Transporte de Electrones comprende
dos procesos 1.- Los electrones son
transportados a lo largo de la membrana, de un
complejo de proteínas transportadoras a otro. 2.
Los protones son translocados a través de la
membrana, desde el interior o matriz hacia el
espacio intermembrana de la mitocondria. Esto
constituye un gradiente de protones El oxígeno
es el aceptor terminal del electrón, combinándose
con electrones e iones H para producir agua.
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COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

• FLAVOPROTEINAS FMN o FAD Transportan 2 e- y 2
  H
• PROTEINAS FERROSULFURADAS transportan e- (Fe
  Fe)
• COENZIMA Q o UBIQUINONA Quinona isoprenoide no
  proteica. Transporta 1 e- y libera 2 H.
• CITOCROMOS b, c, c1, a, a3 Proteínas que
  contienen un grupo hemo. Transportan 1 e-

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Componentes de la Cadena de transporte electrónico
Complejo enzimático Grupos
prostéticos Complejo I (NADH deshidrogenasa)
FMN, FeS Complejo II(succinato deshidrogenasa)
FAD,FeS Complejo III (citocromo bc1)
Hemo, FeS Citocromo c
Hemo Complejo IV (citocromo
oxidasa) Hemo, Cu
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(No Transcript)
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Fumarato
Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA
Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA
Succinato
Cit.c
Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA
Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA
Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA
Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA
Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1
Cit.a Cit a3
Complejo III CITOCROMO C COENZIMA Q OXIDO
REDUCTASA
Complejo III CITOCROMO C COENZIMA Q OXIDO
REDUCTASA
Complejo III CITOCROMO C COENZIMA Q OXIDO
REDUCTASA
Complejo III CITOCROMO C COENZIMA Q OXIDO
REDUCTASA
Complejo IV CITOCROMO OXIDASA
Complejo IV CITOCROMO OXIDASA
Complejo IV CITOCROMO OXIDASA
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Reacciones que proveen de NADH a la cadena
respiratoria

• Piruvato deshidrogenasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• Malato deshidrogenasa
• a-cetoglutarato deshidrogenasa

CR
Sustrato NAD Producto NADH H
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REACCIONES DEL COMPLEJO I
NADH H NAD 2 e- H
(Eo - 0,32 V) FMN 2 e- 2 H
FMNH2 (Eo - 0,22 V)
NADH H FMN ? FMNH2 NAD
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Camino de los equivalentes de reducción en el
Complejo I
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COMPLEJO II

• Succinato-coenzima Q oxidorreductasa
• Coenzima FAD
• Proteínas ferrosulfuradas
• Transfiere equivalentes de reducción desde
  succinato a la coenzima Q

Succinato E-FAD Fumarato
E-FADH2 E-FADH2 Prot-Fe E-FAD
Prot-Fe Prot-Fe CoQ
Prot-Fe CoQH2
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Ordenamiento de los Componentes de la Cadena
Respiratoria
3-P-Glicerol
3-P-Glicerol
3-P-Glicerol
3-P-Glicerol
3-P-Glicerol
3-P-Glicerol
Piruvato Malato Isocitrato
3-P-
Acil-CoA
FAD
NADH-UBQ reductasa FMN (Fe-S)
Cit a Cit a3 2 Cu
Cit b (Fe-S) Cit c1
CoQ
Cit c
IV
O2
I
III
FAD
II
a-cetoglutarato Glutamato 3-OH-AcilCoa
b-OH-Butirato
SUCCINATO
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CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al
O2
½ O2 H
CoQH2
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Cit. b566
Cit. b562
Cit. c1
Cit. c
Cit. a.a3
Fe-S
CoQ
H2O
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
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(No Transcript)
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MECANISMOS DE SINTESIS DE ATP

• FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO
• FOSFORILACION OXIDATIVA

O2
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Adenosina Trifosfato (ATP)
Moléculas de alta energía ATP, GTP, 1,3
difosfoglicerato, Fosfoenolpiruvato, Acetil-CoA,
Creatina fosfato.
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La cadena de transporte de electrones y la
fosforilación oxidativa estuvieron separadas
conceptualmente por mucho tiempo. Las
observaciones sobre la formación del ATP hacían
pensar a los investigadores en un intermediario
fosforilado de la reacción. En 1961 Peter
Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica
EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA
FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES
LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A
TRAVÉS DE LA MEMBRANA
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PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992) -Interesado
inicialmente en la penicilina, a partir
de 1961 trabajó en el estudio sobre el
almacenamiento de la energía en los seres
vivos para ser posteriormente transportada a los
puntos de utilización por medio de las moléculas
de ATP. -Así la energía liberada por el traslado
de electrones en la cadena respiratoria se
conserva mediante la fosforilación del ADP, que
se convierte nuevamente en ATP, proceso
denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. -En 1978 fue
galardonado con el Premio Nobel de Química por
sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA
BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA
OSMÓTICA.
40
SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA
41
Lugar de translocación de protones
42
POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA

• Pasaje de H durante la transferencia de
  electrones desde la matriz al espacio
  intermembrana.
• Generación de un gradiente electroquímico flujo
  electrónico acompañado de la transferencia de
  protones.
• Los protones acumulados en el espacio
  intermembrana crean una fuerza protón-motriz,
  por la tendencia de volver a pasar al interior
  para igualar el pH a ambos lados de la membrana.
• Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H
  a través de Fo y así activan la ATP sintasa

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(No Transcript)
44
TRANSLOCACION DE PROTONES Y SINTESIS DE ATP
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COMPLEJO ATP sintasa

• F1 9 subunidades a3 b3 g d e y 3 sitios
  catalíticos
• Fo Proteína integral , canal transmembrana para
  protones con 3 subunidades a, b2 y c12
• Esta enzima es la que transforma la energía
  cinética del ATP en energía química.
• El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobel al
  describir la ATP sintasa.

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Esquema translocasa ADP-ATP y transportador de Pi.
47

• El control de la fosforilación oxidativa permite
  a la célula producir solo la cantidad de ATP que
  se requiere para el mantenimiento de sus
  actividades.
• El valor del cociente P/O, representa el número
  de moles de Pi que se consumen para que se
  reduzca cada átomo de O2 a H2O.
• El cociente máximo medido para la oxidación de
  NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor
  practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP,
  respectivamente.
• Control respiratorio por el aceptor
• Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al
  FADH cuando hay una concentración suficiente de
  ADP y Pi.
• Cuando todo el ADP se transformó en ATP,
  disminuye el consumo de oxígeno y aumenta cuando
  se suministra ADP.

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(No Transcript)
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INHIBIDORES

• Inhibidores del transporte electrónico
• Inhiben solamente el transporte de e-
• Inhibidores de la fosforilación
• Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente
  eel transporte de e-
• Desacoplantes
• Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el
  transporte de electrones
• Inhibidores de la translocasa
• Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP
  desde la mitocondria

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ACCIÓN DE INHIBIDORES
Complejo III
Complejo I
Complejo IV
El uso de inhibidores no solo ha ayudado a
deducir la secuencia de la cadena respiratoria,
sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo
de acción de algunos fármacos y venenos.
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Inhibidores de la fosforilación

• Oligomicina
• Bloquea el flujo de protones a través de F0,
  impidiendo la fosforilación.
• Se inhibe la síntesis de ATP
• Se acumulan protones y se produce una fuerza
  inversa deteniéndose el transporte de electrones.
• Desacoplantes
• Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero
  no bloquean el flujo de electrones, de esa manera
  desacoplan la cadena respiratoria de la
  fosforilación oxidativa.
• El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones
  hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y
  anula el gradiente de protones creado por la
  cadena respiratoria.

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• OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
• Existen sistemas de transporte distintos de la
  CR.
• Que no participan en la síntesis de ATP
• Participan en reacciones de hidroxilaciones y
  deshidrogenaciones del sustrato.
• Estos sistemas se encuentran en la fracción
  microsomal del retículo endoplásmico.
• Un 90 del O2 consumido por las células se emplea
  en la fosforilación oxidativa.

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OXIDASAS Y OXIGENASAS

• Localización Microsomas y peroxisomas
• No asociados a la producción de ATP
• Usan O2 como sustrato

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OXIDASAS

• Oxidación peroxisómica de ácidos grasos
• Citocromo oxidasa

Flavoproteína FADH2 FAD y O2
H2O2
Hemoproteína Fe Fe y O2 H2O
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MONOOXIGENASAS u OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA ó
HIDROXILASAS

• AH BH2 OO A-OH B H2O

Sustrato principal
NADH, NADPH, FMNH2, FADH2, BH4
Co-Sustrato
1 O se incorpora al sustrato y el otro O forma
agua
CITOCROMO b5
Desaturación de ácidos grasos
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Esquema de reacción donde interviene un Citocromo
P450
O2
H2O
Sustrato
Sustrato hidroxilado
CytP450 (oxid)
CytP450 (red)
La hidroxilación de sustancias extrañas, aumenta
su polaridad y solubilidad en agua ? facilita su
eliminación ? anula su toxicidad ? aumenta su
metabolismo ? son excretadas.
RH
NADPH
Reducido
Oxidado
Citocromo P-450 Reductasa (Fe-S)
Citocromo P-450 reducido
O2
NADP
H2O
Reducido
ROH
Oxidado
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• Los sistemas de Cit p450 participan en reacciones
  de oxigenación, desulfuración, desaminación ?
  activas en hígado.
• Son enzimas inducibles, entre los inductores ?
  fármacos, alimentos asados al carbón.
• Pueden ser inhibidas consumo simultáneo de jugos
  cítricos con medicamentos.

• Alcohol Por cortos períodos inhibe el
  metabolismo de medicamentos ? mas toxicidad.
• Por períodos largos aumenta la
  metabolización ? reduce el efecto terapéutico.

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METABOLISMO DE XENOBIÓTICOS EXPOSICIÓN A
SUSTANCIAS QUÍMICAS EXTRAÑAS ? MEDICAMENTOS
ADITIVOS EN ALIMENTOS CONTAMINANTES
AMBIENTALES IMPORTANCIA BIOMÉDICA COMPRENSIÓN
RACIONAL DE LA FARMACOLOGÍA. TOXICOLOGÍA INVESTIG
ACIÓN DEL CÁNCER EL HÍGADO ES EL PRINCIPAL
ÓRGANO DONDE SE LLEVA A CABO LA METABOLIZACIÓN
(DESTOXIFICACIÓN) DE LOS XENOBIÓTICOS
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METABOLISMO DE XENOBIOTICOS
Reacciones de Hidroxilación
Citocromo P-450
FASE I

• Reacciones de Conjugación
• Metilaciones

FASE II
Hígado Membrana del retículo endoplásmico
(Microsomas)