Tema 6

Transducción de Señales

Las señales extracelulares (hormonas, neurotransmisores,...) llegan a la membrana celular ('cell membrane') e interaccionan con receptores específicos (en rojo). Como consecuencia de esta interacción, se producen cambios en la estructura tridimensional del receptor. En este nuevo estado conformacional el receptor es capaz de activar un enzima (en naranja). El enzima activado sintetiza moléculas señalizadoras nuevas en la cara interna de la membrana y, por último, estos compuestos (denominados segundos mensajeros, 'second messengers') producen distintos cambios en el funcionamiento de la célula ('effects').

Sistemas de transducción: receptores y segundos mensajeros

Las células tienen receptores. Gran parte de éstos se localizan en la membrana plasmática, pero pueden encontrarse también en otras partes de la célula. Los receptores son moléculas complejas que interaccionan de manera específica consustancias del medio. Una vez que interaccionan con estas sustancias (p. ej. hormonas), los receptores sufren una alteración en su estructura tridimensional que ocasiona cambios en la concentración de ciertas moléculas en el interior de las células (segundos mensajeros) que median la respuesta final a las modificaciones en el medio ambiente detectadas a través de los receptores. En ciertas ocasiones, los propios receptores tienen capacidad para sintetizar los segundos mensajeros, pero más frecuentemente hacen falta otras moléculas complejas para llevar a cabo esta síntesis (previa interacción con los receptores).

El proceso de transmisión de señal afecta a una secuencia de reacciones bioquímicas dentro de la célula que se lleva a cabo a través de enzimas unidas a otras sustancias llamadas segundo mensajero. Cada proceso se realiza en intervalos de tiempo muy pequeños, como milisegundos, o en periodos más largos como algunos segundos.

En muchos procesos de transducción de señales se implican cada vez más en el evento un número creciente de enzimas y sustancias desde el inicio del estímulo, el cual parte desde la adhesión de un ligando al receptor de membrana, hasta la activación en el receptor, que convierte el estímulo en respuesta, la cual, dentro de la célula, provoca una cadena de pasos (cascada de señalización o ruta del segundo mensajero) cuyo resultado es la amplificación de la señal, es decir, que un pequeño estímulo provoca una gran respuesta celular.

En bacterias y otros organismos unicelulares, los procesos de transducción de señales permiten a las células responder a las influencias del medio ambiente que les rodea. Las células que forman los organismos multicelulares responden a una gran cantidad de estímulos químicos. Unos, como los neurotransmisores, las hormonas y los factores de crecimiento, son producidos por las propias células del organismo y alcanzan a las células diana a través del medio interno. Otros, aunque también alcanzan a las células a través del medio interno proceden del exterior como el oxígeno, un gran número de nutrientes, estímulos olfatorios y gustatorios que generan respuestas específicas en ciertos grupos celulares.

La gran variedad de señales físicoquímicas a las que las células pueden responder, haría pensar en una amplia diversidad de mecanismos de transducción de señal. Sin embargo, la evolución ha seleccionado y perfeccionado sólo una serie limitada de cadenas de eventos que son capaces de generar la respuesta apropiada a cada estímulo en diferentes tipos celulares. Esta convergencia en unas pocas cadenas de transducción comunes a plantas y animales ocurre en primer lugar en los receptores celulares.

Los receptores celulares presentan en su estructura dos regiones o dominios funcionales bien diferenciados. Uno de reconocimiento o detección de los estímulos, que presenta una diversidad paralela a la de los estímulos, y otro dominio efector que pertenece a unos pocos tipos fundamentales, por lo que la secuencia de eventos que son capaces de iniciar son limitados.

En el extremo final de la cadena de transducción se encuentran las maquinarias celulares responsables de generar las respuestas. Cada tipo celular presenta maquinarias efectoras específicas, de tal forma que las señales generadas en la cascada de transducción de dos o más estímulos, aún siendo idénticos, activa en cada estirpe celular una respuesta distinta y que es definitoria del tipo celular. Por tanto, los rasgos fundamentales de una cascada de transducción en un sistema celular dado, tienen un carácter casi universal, porque los mismos eventos ocurren en gran variedad de sistemas celulares y frente a una gran diversidad de estímulos. Por lo tanto, la detección de estímulos y la respuesta a los mismos en todas los seres vivos, depende dentro de las células de las señales de transducción.

Las señales externas a la célula de diferente naturaleza físico-química producen una regulación de determinados genes en su núcleo celular, por medio de un conjunto de mecanismos que comprenden:

La captación de las señales externas en la superficie celular mediante los receptores celulares.

La generación y la transmisión intracelular de las señales por medio de interacciones proteína-proteína.

La ejecución de la respuesta a través de una modificación de la actividad de los genes.

Vías de transducción de señales inducidas por el TCR

Una vía principal es la primera señal donde interviene TCR, CD3 (transductor), CD4/8 (correceptores), y moléculas accesorias (para amplificar).

Esta primera señal ocurre cuando el TCR reconoce la molécula de MHC con el péptido, el CD4 (coreceptor) va a inducir una serie de señales al unirse al MHC II, ahora la CD4 está asociada a una kinasa que se activa.

Las CD3 por otra parte tienen un conjunto de secuencias en el citoplasma que son secuencias activadoras que contienen tyrosinas (ITAM: motivo de activación en tyr de los immunoreceptores). Estos motivos al tener tyr se fosforilan y esto es esencial para la transducción de señales. Se asocian kinasas (LCK) al coreceptor y las CD3 tb reclutan kinasas. Estas kinasas fosforilan a los CD3 en sus ITAM.

Las primeras señales van a ser mediadas por el reclutamiento de kinasas que fosforilan los ITAM.

Los ITAM fosforilados reclutan ZAP-70 (importante y específico de cels T) que es la kinasa que inicia tres vías de señalización.

ZAP-70 al unirse a las tyr-P (de las cadenas ξ del CD3) se le unen prots adaptadoras. Si ZAP-70 no se activa no habrá activación de cels T.

ZAP-70 puede fosforilar distintos sustratos (prots intermediarias): prots que se acercan a la mb, y entre ellas hay la fosfolipasa Cγ y una segunda llamada RAS (intercanviadora de GTPÞGDP).

Vía de transducción de señales inducidas por PI-PLCg1

La fosfolipasa es capaz de hidrolizar PIP2 (fosfatidilinositol difosfat) y dar DAG y el IP3 (inositol 3 fosfat).

Así se abren dos cascadas distintas de señalización. El DAG atrae a la PKC a la mb.

El IP3 abre canales de Ca del RE y permite que salga Ca en el citosol (por el IP3) así aumenta la concentración de calcio en el citosol, esencial para la activación de multitud de ez dependientes de Ca que activarán un factor de transcripción llamano NFAT y éste entra en el núcleo.

El DAG atrae a la mb a la PKC que con el aumento de Ca se activa y activa un factor de transcripción importante llamado: NFkB que hará respuesta celular.

Vía de Ras-MAPK en los LT

El ZAP-70 activa otros mediadores: prot RAS (intercambiador GTP/ GDP) que activa una cascada de kinasas: MAP kinasas que al final se trasloca al núcleo dónde activa un factor de transcripción llamado Fos.

Tres vías de señalización que dan NFAT y NFkB (son factores de transcripción completos) y el Fos (no es completo este factor de transcripción). El AP-1 no es completo, necesita Fos+Jun.

Para que esté completa la activación nos falta todavía un componente que viene dado por la segunda señal.

Transducción de señales coestimuladoras

La segunda señal (dada por CD28) activa VAV (otro intercambiador GTP/GDP) y se activa otra vez la vía de las MAPK pero el conjunto de kinasas son distintas y el factor de transcripción que se activa al final es distinto: JNK que en el núcleo hace que transcriba el Jun. Y forman junto con Fos el AP1 (jun+fos).

Bibliografía

http://cgmp.blauplanet.com/es-transd.html

http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/1083026

http://www.wikilearning.com/apuntes/respuesta_inmune_ii-activacion_t/11412-1

http://www.google.com/imgres?imgurl=http://articulosdemedicina.com/

Tema 5

SISTEMAS DE TRANSPORTE

PERMEABILIDAD:

Propiedad de las membranas que permite que determinados compuestos puedan atravesarlas.

Las membranas biológicas poseen permeabilidad selectiva.

La propia célula juega un papel activo y esencial en el paso de moléculas a través de sus membranas.

Muchas de las moléculas que atraviesan las membranas son en realidad transportadas a través de ellas.

La membrana plasmática regula la entrada y salidad de sustancias, permitiendo la entrada de unos y restringiendo el paso de otros. Esta propiedad se llama permeabilidad selectiva La membrana es permeable cuando permite el paso, más o menos fácil, de una sustancia.
La permeabilidad de la membrana depende de varios factores relacionados con las propiedades físico-químicas de la sustancia:

Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que esta está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.

Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.

Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

POTENCIAL DE MEMBRANA:

El potencial de acción responde a la ley de todo o nada, el potencial para que tenga lugar necesita de un estímulo liminal que llegue al punto crítico de dispara de esa célula.
a) Despolarización lenta. -70 mv hasta -55 mv
b) Despolarización rápida. - 55 mV hasta +35 mV.
c) Repolarización rápida. + 35 mv 2/3 del descenso
d) Repolarización lenta (hasta - 70 mV) e) Hiperpolarización. -70 mV hasta - 75 mV.
El potencial de acción se produce o no siendo igual. No se produce si el estímulo no alcanza el punto crítico de la célula, y si se supera si que hay potencial. La ley se cumple para fibras aisladas, para una fibra única, pero no se cumple cuando existen múltiples fibras nerviosas (axones).

El proceso de transporte es importante para la célula porque le permite expulsar de su interior los desechos del metabolismo y adquirir nutrientes, gracias a la capacidad de la membrana celular de permitir el paso o salida de manera selectiva de algunas sustancias. Las vías de transporte a través de la membrana celular y los mecanismos básicos para las moléculas de pequeño tamaño son:

Transporte pasivo

Transporte simple de moléculas a través de la membrana plasmática, durante en la cual la célula no requiere de energía, debido a que va a favor del gradiente de concentración o del gradiente de carga eléctrica.
Se pueden encontrar dos tipos principales de difusión:

• Mediante la bicapa.
• Mediante los canales iónicos.

Difusión facilitada

Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos. Tal es el caso de la glucosa y algunos otros monosacáridos.
Estas sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora. En el primer paso, la glucosa se une a la proteína transportadora, y esta cambia de forma, permitiendo el paso del azúcar. Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma, una kinasa (enzima que añade un grupo fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-fosfato. De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son siempre muy bajas, y el gradiente de concentración exterior --> interior favorece la difusión de la glucosa.
La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:

• Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana
• Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana
• De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo

Ósmosis

La ósmosis es un tipo especial de transporte pasivo en el cual sólo las moléculas de agua son transportadas a través de la membrana. El movimiento de agua se realiza desde un punto en que hay menor concentración a uno de mayor para igualar concentraciones. De acuerdo al medio en que se encuentre una célula, la ósmosis varía. La función de la osmosis es mantener hidratada a la membrana celular. Dicho proceso no requiere gasto de energía. En otras palabras la ósmosis u osmosis es un fenómeno consistente en el paso del solvente de una disolución desde una zona de baja concentración de soluto a una de alta concentración del soluto, separadas por una membrana semipermeable.

Ósmosis en una célula animal

• En un medio isotónico, hay un equilibrio dinámico, es decir, el paso constante de agua.
• En un medio hipotónico, la célula absorbe agua hinchándose y hasta el punto en que puede estallar dando origen a la citólisis.
• En un medio hipertónico, la célula arruga llegando a deshidratarse y se muere, esto se llama crenación.

 Ósmosis en una célula vegetal

• En un medio isotónico, existe un equilibrio dinámico.
• En un medio hipotónico, la célula toma agua y sus vacuolas se llenan aumentando la presión de turgencia.

Turgencia: Fenómeno que se da en las celulas vegetales, en la cuál aumenta el agua en la vacuola, aumenta el volumen de la célula y la pared va a dar contención impidiendo que la célula se rompa.

• En un medio hipertónico, la célula elimina agua y el volumen de la vacuola disminuye, produciendo que la membrana plasmática se despegue de la pared celular, ocurriendo la plasmólisis

Plasmólisis: Se libera agua, disminuye el agua en la vacuola y disminuye el volumen celular. Se separa la Membrana Plasmática de la pared celular.

Hay sistemas de transporte que se imaginan como canales o poros. No se conoce el mecanismo preciso del funcionamiento de ninguno de ellos; sin embargo, a través de su función se ha llegado a un modelo imaginario. El poro o canal es más que nada la conceptualización de un sistema rápido de transporte; es más fácil imaginar el movimiento rápido como flujo a través de un túnel, que por un mecanismo de acarreo más complicado. La idea del poro está representada en el diagrama de la figura; y se piensa que debe tener antes que nada una especie de entrada o filtro capaz de discriminar o escoger entre distintas sustancias o iones. Por ejemplo, hay poros que pueden distinguir fácilmente el Na+ y K+ a pesar de su semejanza, pero que difieren por el tamaño. Otra de las características importantes de los poros es la existencia de una especie de "compuertas" o dispositivos que les permiten abrir y cerrarse al paso de los iones.

LOS ACARREADORES MÓVILES
En el caso de sistemas de transporte más lento, se ha imaginado que se trata de moléculas de proteína que situadas en la membrana cuentan con un sitio capaz de reconocer a las sustancias que han de transportar, de manera semejante como las enzimas tienen un sitio activo en el que se coloca el sustrato que van a modificar.

En este sentido no habría diferencia con los poros. Sin embargo, como se muestra en la figura, el sistema del paso de los iones de un lado al otro sería diferente; sin que se conozca el mecanismo íntimo, se piensa que, o bien la molécula de la vuelta y el sitio activo que estaba hacia un lado de la membrana se desplaza al otro, o bien el ion u otra sustancia es movido al otro lado por movimíentos peristálticos, semejantes a los del intestino, "exprimiendo" a la sustancia transportada hacia el otro lado. El único hecho real que hay es que estos sistemas de transporte son mucho más lentos que los canales o poros.

CUANTIFICACIÓN DEL TRANSPORTE

El grado de especialización de los sistemas de transporte de las células ha llegado a ser tan grande en algunos casos, que durante su evolución se le pudo adaptar para funciones de gran importancia como la transmisión nerviosa. En otros casos, como se describe en el capítulo siguiente, la clara relación entre la energía y el transporte llevó, por un lado, a la existencia de sistemas de transporte capaces de aprovechar la energía metabólica para tomar del medio sustancias que se encuentran en concentraciones bajas, pero también fue a través de los sistemas de transporte modificados que se pudieron diseñar sistemas para la conversión de la energía en formas directamente aprovechables por las células.

También sucede que muchos receptores en las células pueden verse como sistemas de transporte capaces de reconocer a ciertas moléculas, algunas con gran afinidad y especificidad. De esta forma, puede pensarse que las células y los organismos modificaron sus sistemas originales de transporte para dar lugar a los receptores y contar con la posibilidad de comunicarse entre sí y de ahí diseñar sistemas de control.

El sistema nervioso mismo reconoce como base un complicadísimo sistema de intercomunicación de las neuronas, pero que en último análisis tiene fundamentalmente la participación de un enorme número y tipo de sistemas de transporte y receptores.

Hay inclusive un tipo especial de receptores que son capaces de detectar la presencia de moléculas disueltas o volátiles y que se encuentran en células especializadas. Éstas son las células receptoras de los órganos de los sentidos; el olfato y el gusto también pueden considerarse resultado de la evolución de los sistemas de transporte, en los que la modificación de los antiguos acarreadores permitió desarrollar estas capacidades que en los animales han llegado a ser tan importantes.

Bibliografía

http://www.google.com/imgres?imgurl=http://www.educarchile.

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http://www.google.com/imgres?imgurl=http://jatnd1.galeon.

Tema 4

FOTOBIOLOGIA

La Fotobiología estudia los efectos de la radiación solar sobre los diversos ecosistemas y organismos.
El sol provee, en forma de radiación electromagnética, la energía necesaria para el funcionamiento de todos los ecosistemas terrestres y acuáticos, basados en la producción de materia orgánica a través del proceso de fotosíntesis. La radiación solar, por lo tanto, es determinante para regular los ciclos naturales (estaciones, día-noche) así como otros factores (gradientes en altura y latitudinales de la vegetación, distribución vertical en la columna de agua, etc.). Sin embargo, esta misma radiación que hace posible la vida sobre la Tierra puede ser en algunos casos perjudiciales especialmente aquella parte de la radiación llamada radiación ultravioleta (RUV, 280-400 nm). Los organismos que fotosintetizan son los primeros en ser afectados, ya que ellos reciben la radiación solar y representan el primer punto de la red trófica.

Desde el descubrimiento del "agujero" de ozono en la Antártida, se ha avanzado mucho en la investigación sobre la Fotobiología de la RUV. Hoy se sabe que la RUV es uno de los factores más importantes que determinan varios aspectos del ecosistema, tales como distribución, comportamiento, presencia de compuestos protectores, y otras adaptaciones

PIGMENTOS ANTENA Y CAPTACION DE LUZ

Los fotosistemas son los centros donde se agrupan los pigmentos fotosintéticos, como la clorofila, entre otros. Estas moléculas son capaces de captar la energía luminosa procedente del Sol. Un ejemplo es la fotosíntesis, que utiliza la luz visible blanca, que es una mezcla de varias longitudes de onda.
Existen dos tipos de fotosistemas:
• El Fotosistema I (F I), rico en clorofila a.
• El Fotosistema II (F II), rico en clorofila b.

1. Fotosistema I
La estructura del fotosistema I en una cianobacteria (alga azul-verde ") ha sido completamente resuelto. Es probable que se asemeja mucho a la de las plantas también.
Se trata de un homotrimero con cada subunidad en el trímero que contiene:
• 12 moléculas de proteínas diferentes obligado a 96 moléculas de clorofila a
 2 moléculas del centro de reacción de la clorofila P 700, 4 moléculas de accesorios estrechamente asociados con ellos
 90 moléculas que sirven como pigmentos antena
 22 moléculas de carotenoides
• 4 moléculas de lípidos
• 3 grupos de Fe 4 S 4
• 2 phylloquinones

2. Fotosistema II

Fotosistema II es también un complejo de
•20 moléculas de proteínas diferentes obligado a 50 o más moléculas de clorofila a
 2 moléculas del centro de reacción de la clorofila P 680
 2 moléculas de accesorios cerca de ellos
 2 moléculas de feofitina (clorofila sin el Mg + +)
 el resto de las moléculas de clorofila a servir como pigmentos antena.
 las moléculas denominadas  carotenoides. También sirven como pigmentos  antena como la plastoquinona
Captadores de Luz Complejos (LHC)
• LHC-I asociada con el fotosistema I
• LHC-II asociados con el fotosistema II
Estos LHCs también actúan como pigmentos de la antena y la recolección de luz que pasa su energía a sus respectivos fotosistemas.
El LHC-II de la espinaca es una homotrimer, con cada monómero que contenga
• un solo polipéptido
• 8 moléculas de clorofila a
• 6 moléculas de la clorofila b
• 4 moléculas de carotenoides
  5. Citocromos b 6 y F
  6. Sintetasa de ATP

Cómo funciona el sistema

• La luz es absorbida por los pigmentos de la antena de fotosistemas II y I.
• La energía absorbida se transfiere a las clorofilas del Centro de Reacción, P 680 en el fotosistema II, P 700 en el fotosistema I.
• Absorción de 1 fotón de luz por el fotosistema II elimina 1 electrón de P 680.
• Con su carga positiva resultante, P 680 es lo suficientemente electronegativo que se puede quitar 1 electrón de una molécula de agua.
• Cuando estos pasos se han producido 4 veces, lo que requiere 2 moléculas de agua, 1 molécula de oxígeno y 4 de protones (H +) son liberados
• Los electrones son transferidos (a través de plastoquinona - PQ en la figura) a la citocromo b 6 / f complejas en las que proporcionan la energía para quimiosmosis.
• La activación de P 700 en el fotosistema que le permite recoger los electrones del citocromo b 6 / f complejos (por medio de plastocianina - PC en la figura) y elevarlas a un potencial redox suficientemente alto para que, después de pasar por la ferredoxina (Fd en la figura),
• que pueden reducir NADP + a NADPH.

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES FOTOSINTETICOS
En la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donador de electrones de alta energía a un aceptor a través de una cadena de transporte de electrones. En la fotofosforilación, la energía de la luz solar es usada para crear un donador de electrones altamente energético y un aceptor de esos electrones. Los electrones son transferidos desde el donador hasta el aceptor por una cadena de transporte totalmente diferente a la observada en las mitocondrias. La cadena de transporte de electrones fotosintética tiene varias similitudes con la cadena oxidativa. Tienen transportadores móviles, transportadores liposolubles y móviles, transportadores hidrosolubles y bombas de protones, que se encargan de generar el gradiente electroquímico

Bibliografía

http://www.efpu.org.ar/esp/LaFotobiologia.htm

http://decs.es/ciencias-biologicas/fotobiologia/

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/Fotobiologia

http://striweb.si.edu/taxonomy_training/Docs/phycology_docs/fotobiologia_1-PS_Fluorescencia.pdf

Tema 3

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.

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

∆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)

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

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. La fosforilación oxidativa es una serie de eventos químicos que llevan a 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.

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.

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.

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

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