Bioenergética Mitocondrial
Los seres vivos necesitan un ingreso continuo de energía. Así , mediante la fotosíntesis, las plantas convierten la energía radiante del sol, fuente de energía primaria para la vida sobre la tierra, en la energía química de los hidrato de carbono y de otras sustancias orgánicas.
Las plantas, o los animales que las consumen, metabolizan después estas sustancias para impulsar funciones tales como la síntesis de biomoléculas, la concentración de los gradientes de concentración y el movimiento de los músculos. Estos procesos por último transforman la energía en calor, que se disipa en el entorno. Una porción considerable del aparato bioquímico celular debe dedicarse, por tanto, a la adquisición y al empleo de la energía.
Las plantas, o los animales que las consumen, metabolizan después estas sustancias para impulsar funciones tales como la síntesis de biomoléculas, la concentración de los gradientes de concentración y el movimiento de los músculos. Estos procesos por último transforman la energía en calor, que se disipa en el entorno. Una porción considerable del aparato bioquímico celular debe dedicarse, por tanto, a la adquisición y al empleo de la energía.
Según la hipótesis quimiosmótica sostenida por el investigador P. Mitchell, para explicar la síntesis de ATP tanto en la mitocondria como en el cloroplasto, la energía liberada por el transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana (en mitocondrias); o desde el estroma al interior del tilacoide (en cloroplastos). El bombeo de protones se realiza a través de transportadores localizados en complejos enzimáticas existentes en la membrana (de las crestas mitocondriales o membrana tilacoidal, según el caso).
De esta manera se genera un gradiente electroquímico de protones que ejerce lo que se conoce como fuerza protonmotriz, ya que cuando los protones atraviesan de nuevo la membrana interna (mitacondrial o tilacoidal) a favor del gradiente, lo hacen a través del sistema ATP-sintetasa, que se encuentra en dichas membranas, donde la energía protonmotriz se transforma en energía de enlace en moléculas de ATP.
El proceso se podría comparar con este símil: El flujo de protones cumple el papel de transductor de energía, del mismo modo que el vapor que suministra una caldera puede utilizarse para generar energía eléctrica: el calor aplicado a la caldera (flujo de electrones) calienta el agua y forma vapor de agua (gradiente electroquímico de H+), cuya presión (fuerza protonmotriz) se puede acoplar a las turbinas de un generador eléctrico (ATP sintetasa) para producir electricidad (ATP).
NOCIONES BASICAS DE TERMODINAMICA
La termodinámica constituye una descripción de las relaciones existentes entre las diversas formas de energía y cómo ésta afecta a la materia en lo macroscópico en oposición al nivel molecular; es decir, trata con cantidades de materia lo suficientemente grandes para que sus propiedades medias, tales como la temperatura y la presión, puedan definirse bien.
Con el conocimiento de la termodinámica podemos determinar si es posible que tenga lugar un proceso físico.
La termodinámica, tal como se aplica en la bioquímica, se halla relacionada muy frecuentemente con la descripción de las condiciones bajo las cuales los procesos tienen lugar espontáneamente. Por consiguiente, los elementos de termodinámica que permiten predecir la espontaneidad química y bioquímica son: la primera y segunda leyes de la termodinámica, la energía libre y la naturaleza de los procesos en el equilibrio .
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA: CONSERVACION DE LA ENERGIA
Un sistema termodinámico , es la parte del universo que elegimos para el estudio , tal como un recipiente de reacción , un organismo , una única célula bacteriana, el resto del universo se considera como el entorno , este debe tener unos límites definidos .(1)
El sistema puede ser aislado, el cual es incapaz de intercambiar materia y energía con los alrededores ; cerrado capaz de intercambiar energía pero no materia o puede ser abierto en el que la materia y la energía pueden entrar y salir.
Todo sistema contiene una determinada cantidad de energía E ,es decir, los átomos y moléculas del sistema poseen una energía cinética y una energía de vibración y rotación , incluyendo la energía almacenada por los enlaces químicos existentes entre los átomos y la energía de las interacciones no covalentes entre las moléculas , se debe incluir toda la energía que pueda modificarse por procesos químicos o físicos no nucleares .
La energía interna es la función del estado de un sistema. El estado termodinámico se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias y al menos dos de las siguientes: temperatura T , presión P, y el volumen del sistema V. (2)
La primera ley de la termodinámica es la formulación matemática de la ley de la conservación de la energía la energía no puede crearse ni destruirse
La termodinámica constituye una descripción de las relaciones existentes entre las diversas formas de energía y cómo ésta afecta a la materia en lo macroscópico en oposición al nivel molecular; es decir, trata con cantidades de materia lo suficientemente grandes para que sus propiedades medias, tales como la temperatura y la presión, puedan definirse bien.
Con el conocimiento de la termodinámica podemos determinar si es posible que tenga lugar un proceso físico.
La termodinámica, tal como se aplica en la bioquímica, se halla relacionada muy frecuentemente con la descripción de las condiciones bajo las cuales los procesos tienen lugar espontáneamente. Por consiguiente, los elementos de termodinámica que permiten predecir la espontaneidad química y bioquímica son: la primera y segunda leyes de la termodinámica, la energía libre y la naturaleza de los procesos en el equilibrio .
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA: CONSERVACION DE LA ENERGIA
Un sistema termodinámico , es la parte del universo que elegimos para el estudio , tal como un recipiente de reacción , un organismo , una única célula bacteriana, el resto del universo se considera como el entorno , este debe tener unos límites definidos .(1)
El sistema puede ser aislado, el cual es incapaz de intercambiar materia y energía con los alrededores ; cerrado capaz de intercambiar energía pero no materia o puede ser abierto en el que la materia y la energía pueden entrar y salir.
Todo sistema contiene una determinada cantidad de energía E ,es decir, los átomos y moléculas del sistema poseen una energía cinética y una energía de vibración y rotación , incluyendo la energía almacenada por los enlaces químicos existentes entre los átomos y la energía de las interacciones no covalentes entre las moléculas , se debe incluir toda la energía que pueda modificarse por procesos químicos o físicos no nucleares .
La energía interna es la función del estado de un sistema. El estado termodinámico se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias y al menos dos de las siguientes: temperatura T , presión P, y el volumen del sistema V. (2)
La primera ley de la termodinámica es la formulación matemática de la ley de la conservación de la energía la energía no puede crearse ni destruirse
∆U = Ufinal – U inicial = q –ω
Donde U es la energía, q representa el calor absorbido por el sistema desde el entorno y ω es el trabajo efectuado por el sistema sobre el entorno
El calor q es un reflejo del movimiento molecular al azar, mientras que el trabajo w se define como el impulso multiplicador de la distancia desplazada bajo su influencia, se halla asociado con el movimiento organizado (1)
El calor q es un reflejo del movimiento molecular al azar, mientras que el trabajo w se define como el impulso multiplicador de la distancia desplazada bajo su influencia, se halla asociado con el movimiento organizado (1)
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.
El segundo principio se usa a menudo como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. En efecto, el segundo principio lleva implícito el establecer la posibilidad de que un determinado fenómeno o proceso, por lo demás consistente con alguna otra ley de la física, pueda en realidad ocurrir. Por ejemplo, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinámica, nada impide que, espontáneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aun más, y el caliente se calentaría más aun. Sin embargo, el segundo principio establece que tal fenómeno es imposible. Esto no sólo se extiende a fenómenos o procesos físicos o ingenieriles que impliquen algún proceso térmico, sino que el segundo principio se encuentra íntimamente enraizado en todas las ramas de la física: de todas las leyes de la naturaleza, el segundo principio es probablemente uno de los más comprobado, y desde luego el más firmemente reconocido, de manera que se considera como algo indispensable que toda nueva teoría física o todo nuevo fenómeno teorizado, por muchas otras teorías previas a las que contradiga, lo cumpla estrictamente
En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.
El segundo principio se usa a menudo como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. En efecto, el segundo principio lleva implícito el establecer la posibilidad de que un determinado fenómeno o proceso, por lo demás consistente con alguna otra ley de la física, pueda en realidad ocurrir. Por ejemplo, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinámica, nada impide que, espontáneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aun más, y el caliente se calentaría más aun. Sin embargo, el segundo principio establece que tal fenómeno es imposible. Esto no sólo se extiende a fenómenos o procesos físicos o ingenieriles que impliquen algún proceso térmico, sino que el segundo principio se encuentra íntimamente enraizado en todas las ramas de la física: de todas las leyes de la naturaleza, el segundo principio es probablemente uno de los más comprobado, y desde luego el más firmemente reconocido, de manera que se considera como algo indispensable que toda nueva teoría física o todo nuevo fenómeno teorizado, por muchas otras teorías previas a las que contradiga, lo cumpla estrictamente
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CADENA RESPIRATORIA
Sería la etapa final del proceso de la respiración celular, es entonces cuando los electrones "arrancados" a las moléculas que se respiran y que se "almacenan" en el NADH Y FADH2, irán pasando por una serie de transportadores, situados en las crestas mitocondriales formando tres grandes complejos enzimáticos.
La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros, liberándose una cierta cantidad de energía (son reacciones redox) que sirve para formar un enlace de alta energía entre el ADP y el P, que da lugar a una molécula de ATP.
El último aceptor de electrones es el oxígeno molecular y otra consecuencia será la formación de agua.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y SÍNTESIS DE ATP
La transferencia de electrones en la cadena de transporte de electrones es energéticamente favorable porque el NADH es un poderoso donador de electrones y el Oxígeno molecular es un potente aceptor de electrones. De hecho el flujo neto de electrones desde el NADH hasta el Oxígeno resulta en la síntesis de ATP.
El evento vital se lleva a cabo en la membrana plasmática bacteriana, en la membrana interna mitocondrial y en los tilacoides de los cloroplastos.En la década de los 30´s: Belitzer y Tsivakoba encontraron que el proceso de la fosforilación de ADP en los tejidos animales estaba asociado a la respiración o consumo de O2. Mas adelante se describió que la respiración se lleva a cabo en las mitocondrias.
INHIBIDORES Y DESACOPLANTES
El uso de inhibidores de la cadena ha permitido trazar el paso de los electrones a través de la cadena y determinar el punto de entrada de diversos sustratos. La velocidad a la cual el oxígeno es consumido por una suspensión de mitocondrias es una medida del funcionamiento de la cadena de transporte de electrones. La velocidad puede ser medida mediante un electrodo de oxígeno. Gran parte del conocimiento de la función mitocondrial ha resultado de estudios con compuestos tóxicos. Inhibidores específicos se han usado para distinguir el sistema de transporte de electrones del sistema de fosforilación oxidativa, y ha ayudado a definir la secuencia de los transportadores redox en la cadena. Si la cadena se bloquea en un punto, todos los transportadores anteriores quedan más reducidos, y los posteriores más oxidados.
Hay seis tipos de venenos que afectan la función mitocondrial: 1. Inhibidores de la cadena que bloquean la cadena respiratoria.
Hay seis tipos de venenos que afectan la función mitocondrial: 1. Inhibidores de la cadena que bloquean la cadena respiratoria.
La rotenona, toxina de una planta, utilizada por indios amazónicos como veneno, también ha sido usada como insecticida.Actúa a inhibiendo el complejo I. Inhibe la reoxidación del NADH, no afecta la del FADH2. Inhibe la oxidación del malato, que es dependiente del NAD+, no así la del succinato.
El succinato entra en el segundo punto de entrada a la cadena, posterior al del NAD+.
El amital (barbitúrico) inhibe al complejo I, afecta las oxidaciones dependientes del NAD+.
La antimicina A (Antibiótico) Actúa a inhibiendo el complejo III. Inhibe la reoxidación del NADH y del FADH2.
El cianuro bloquea el paso de electrones del citocromo A3 al oxígeno.
Estos inhibidores detienen el paso de electrones de modo que no hay bombeo de protones. Sin gradiente de protones, no hay síntesis de ATP.
2. Inhibidores de la fosforilación oxidativa, venenos que inhiben la ATP-sintasa.
La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad Fo e interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.
Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por Fo al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de Fo de mamíferos. En estas condiciones el gradiente de protones que se produce es mayor que lo normal, sin embargo la energía potencial de éste no puede ser utilizada para producir ATP.
3.Venenos que hacen permeable la membrana mitocondrial interna a los protones.
Estos agentes eliminan la relación obligada entre la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa que se observa en mitocondria intacto. Estos venenos, como el 2,4 dinitrofenol (DNP), el carbonilcianuro-p-trifluorometoxi-hidrazona (FCCP) y el carbonilcianuro-m-clorofenilhidrazona (CCCP) desacoplan la fosforilación oxidativa de la cadena respiratoria, se conocen como agentes desacopladores.
Estos agentes eliminan la relación obligada entre la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa que se observa en mitocondria intacto. Estos venenos, como el 2,4 dinitrofenol (DNP), el carbonilcianuro-p-trifluorometoxi-hidrazona (FCCP) y el carbonilcianuro-m-clorofenilhidrazona (CCCP) desacoplan la fosforilación oxidativa de la cadena respiratoria, se conocen como agentes desacopladores.
Los agentes desacoplantes son todos sintéticos, sin embargo en el mitocondria del tejido adiposo pardo una proteína desacopladora (termogenina) participa en el delicado control de la termogénesis.
4. Inhibidores de transporte (atractalósido) que previenen ya sea la salida del ATP o la entrada de material combustible a través de la membrana mitocondrial interna.
5. Ionósforos (valinomicina, nigericina) que permiten el paso a través de la membrana a compuestos que normalmente están impedidos.
6. Inhibidores del ciclo de Krebs (arsenito) que bloquean una o más enzimas del ciclo de Krebs.
4. Inhibidores de transporte (atractalósido) que previenen ya sea la salida del ATP o la entrada de material combustible a través de la membrana mitocondrial interna.
5. Ionósforos (valinomicina, nigericina) que permiten el paso a través de la membrana a compuestos que normalmente están impedidos.
6. Inhibidores del ciclo de Krebs (arsenito) que bloquean una o más enzimas del ciclo de Krebs.
MEDICIÓN DEL CONSUMO DE OXIGENO
Una de las metodologías posibles para determinar la respiración celular o mitocondrial es cuantificar el consumo de oxígeno en preparados de células o mitocondrias. Esta cuantificación se puede realizar mediante diferentes técnicas; una de las más sencillas es el electrodo un oxígeno.
GENOMA MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES MITOCONDRIALES
GENOMA MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES MITOCONDRIALES
Las enfermedades mitocondriales, también conocidas como encefalomiopatías mitocondriales o afecciones de fosforilación oxidativa, son un grupo heterogéneo de alteraciones, caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes presentan encefalopatía y lesiones musculares, además de que pueden dañarse otros órganos como hígado, riñones, corazón, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas.
A) Síndrome MERRF (epilepsia mioclónica y fibras rojas rasgadas): Se caracteriza por epilepsia mioclónica, debilidad proximal, ataxia, sordera y demencia. El inicio puede ser a cualquier edad y hacerlo con otras manifestaciones, tales como: neuropatía periférica, degeneración corticoespinal, atrofia óptica, disfunción multiorgánica con miopatía, disfunción tubular renal proximal, cardiomiopatía y aumento del ácido láctico. Se debe a una mutación en el ADNmt (entre 80-90 % de los casos experimenta un cambio A-G en la posición 8344; y un pequeño número, T-C, en la posición 8356).
B) Síndrome MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios parecidos a un accidente vascular encefálico): Además de la tríada que le da nombre, puede haber migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción tubular renal proximal y miopatía. Su inicio ocurre a cualquier edad. Se asocia con la mutación A-G en el ARNt , en la posición 3243 en 80 % de los casos descritos, aunque se han notificado otras mutaciones.
C) Síndrome NARP: Se presenta con neuropatía, ataxia y retinosis pigmentaria, sin fibras rojas rasgadas en la biopsia del músculo. Se asocia a una mutación en el ADNmt , con transición heteroplástica T-G en la posición 8993.
D) Neuropatía óptica hereditaria de Leber: Puede limitarse a una atrofia óptica bilateral subaguda o estar asociada a otras manifestaciones, con distonía. Se inicia entre los 12 y 30 años, predominantemente en varones. La mutación más comúnmente informada es A-G en la posición 11778 en el gen ND4, seguida de G-A en el gen ND1, posición 3460.
Bibliografía
http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/Energiaseresvivos.htm
http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/introduccion%20fosforilacionoxidativa.html
http://www.bvs.sld.cu/revistas/san/vol8_n1_04/san08104.htm
No hay comentarios:
Publicar un comentario