jueves, 24 de junio de 2010

4. BIOENERGÉTICA MITOCONDRIAL

4.1 Hipótesis quimiosmótica y potencial electroquímico de protón


La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Las células convierten energía potencial, normalmente en forma de enlaces covalentes carbono-carbono o enlaces fosfoanhidro del ATP, en la energía necesaria para la división celular, crecimiento, biosíntesis y transporte activo a través de membrana, entre otras cosas.

El sol es la fuente última de energía para la vida de todos los organismos ya que la luz es utilizada por los organismos fotosintéticos para convertir el carbono inorgánico del CO2 en carbono orgánico de los glúcidos, a partir de los que sintetizan todas sus moléculas. Los animales utilizan nutrientes vegetales o animales para sintetizar sus propias moléculas.

La teoría quimiosmótica enunciada por Peter Mitchell, explica cómo la energía derivada del transporte de electrones por la cadena de transporte de electrones se utiliza para producir ATP a partir de ADP y Pi. La bomba de protones: el transporte de electrones está acoplado al transporte de H+ a través de la membrana interna mitocondrial desde el espacio intermembranal. Este proceso crea simultáneamente a través de la membrana interna mitocondrial un gradiente eléctrico (con más cargas positivas en el exterior de la membrana que en la matriz mitocondrial) y un gradiente de pH (el exterior de la membrana está a un pH más ácido que el interior). La energía generada por este gradiente es suficiente para realizar la síntesis de ATP.

El gradiente de protones puede ser utilizado como medio de almacenamiento energético para la producción de calor y rotación flagelar. Además, es una forma de energía interconvertible en transporte activo, generación de potencial electrónico, síntesis de NADPH y síntesis/hidrólisis de ATP.

La diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana en mitocondrias, cloroplastos, bacterias y otros compartimentos de membrana que realizan transporte activo utilizando bombas de protones, es a veces llamada potencial quimiosmótico o fuerza motriz de protones. En este contexto, los protones se suelen considerar por separado utilizando las unidades de concentración o de pH.


4.2 Estructura y función de la cadena respiratoria


La cadena de transporte de electrones es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasmática de bacterias, en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, que median reacciones bioquímicas que producen adenosina trifosfato (ATP), que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos. Sólo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de óxido-reducción (redox) y la luz solar (fotosíntesis). Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimioautótrofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fotoautótrofos. Ambos tipos de organismos utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en ATP.



4.3 Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP


El sistema ATP-ADP es muy importante en el ciclo de la energía celular. El ADP puede aceptar un fosfato con consumo de energía para convertirse en ATP y este proceso se conoce como “fosforilación”.

La fosforilación oxidativa es un proceso bioquímico que ocurre en las células. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración celular: la glicólisis y el ciclo del ácido cítrico. De una molécula de glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa.

Dentro de las células, la fosforilación oxidativa se produce en las membranas biológicas. En procariontes es la membrana plasmática y en eucariontes es la membrana interna de las dos que forman la membrana mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas donadores de electrones que "fueron cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico, se utilizan en un mecanismo intrincado (que implica a numerosas enzimas como la NADH-Q reductasa, la citocromo c oxidasa y la citocromo reductasa), gracias a la bomba H+ que moviliza los protones contra un gradiente de membrana.

Un gran complejo proteico llamado ATP-sintetasa situado en la membrana, permite a los protones pasar a través en ambas direcciones; genera el ATP cuando el protón se mueve a favor de gradiente, y consume una molécula de ATP para bombear un protón en contra de gradiente. Debido a que los protones se han bombeado al espacio intermembranoso de la mitocondria en contra de gradiente, ahora pueden fluir nuevamente dentro de la matriz mitocondrial y mediante la vía ATP-sintetasa, se genera ATP en el proceso. La reacción es:

ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O

Cada molécula de NADH contribuye suficientemente a generar la fuerza motriz de un protón que produzca 3 moléculas de ATP. Cada molécula de FADH2 produce 2 moléculas de ATP. Todas juntas, las 10 moléculas de NADH y las 2 FADH2 contribuyen a través de la oxidación de la glucosa (glucólisis, conversión de piruvato en acetil-CoA y ciclo de Krebs) a formar 34 de las 38 moléculas totales de ATP transportadoras de energía. Hay que decir que estos valores de moléculas de ATP son máximos. En realidad cada molécula de NADH contribuye a formar entre 2 y 3 moléculas de ATP, mientras que cada FADH2 contribuye a un máximo de 2 moléculas de ATP.


4.4 Inhibidores y desacoplantes


Inhibidores


La vía del flujo de electrones a través del ensamblaje para el transporte de los mismos, y las propiedades únicas de la PMF, han sido determinadas por medio de el uso de varios antimetabolitos importantes. Algunos de estos agentes son inhibidores del transporte de electrones en sitios específicos en el ensamblaje de transporte de electrones, mientras otros estimulan el transporte al descargar el gradiente de protones. Por ejemplo, la antimicina A es un inhibidor específico del citocromo b. En presencia de antimicina A, el citocromo b puede ser reducido pero no oxidado. Como es de esperarse, en presencia de la antimicina A el citocromo c permanece oxidado, así como también los citocromos posteriores a y a3.

Una clase importante de antimetabolitos son los agentes desacopladores ejemplificados por el 2,4-dinitrofenol (DNP). Los agentes desacoplantes actúan como ácidos lipofílicos débiles, que se asocian con protones en el exterior de la mitocondria, que pasan a través de la membrana unidos a un protón, y que se disocian del protón en el interior de la mitocondria. Estos agentes causan tasas de respiración máxima pero el transporte de electrones no genera ATP, debido a que los protones translocados no regresan a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa.


Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa


Nombre

Función

Sitio de Acción

Rotenona

inhibidor del transporte de e

Complejo I

Amital

inhibidor del transporte de e

Complejo I

Antimicina A

inhibidor del transporte de e

Complejo III

Cianuro

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

Monóxido de Carbono

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

Azida

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

2,4,-dinitrofenol

Agente desacoplante

Transportador transmembrana de H+

Pentaclorofenol

Agente desacoplante

Transportador transmembrana de H+

Oligomicina

Inhibe la sintasa de ATP

Fracción OSCP de la sintasa de ATP


Desacoplantes de la Fosforilación Oxidativa


Disocian el transpone electrónico y la fotofosforilación. El gradiente de protones establecido a través de la membrana tilacoidal durante el transporte electrónico es abolido (es decir, aumenta la permeabilidad de la membrana a los protones). La fosforilación cíclica y la no cíclica son interrumpidas pero el transporte electrónico puede no afectarse o estimularse. El único herbicida identificado hasta la fecha como un desacoplante puro a pH 8 es la perfluidona. Otros compuestos que desacoplan la fotofosforilación tambien desacoplan la fosforilación oxidativa mitocondrial. Halofenoles y dinitrofenoles.


4.5 Medición y consumo energético


La energía que un individuo gasta se puede medir directa o indirectamente con los diversos métodos disponibles actualmente. Los métodos de laboratorio suelen ser más precisos y exactos pero no pueden utilizarse en niños y adolescentes en condiciones libres. Por otro lado, los métodos de campo son baratos, menos precisos y sirven para grandes estudios poblacionales. Cada método posee unas características que lo harán apropiado según el tipo de estudio que se quiera realizar.



Calorimetría indirecta:


La combustión de nutrientes en el cuerpo humano fue descrita por primera vez por Lavoissier, que trabajó a finales del siglo XVIII en Francia. Lavoissier descubrió que una vela sólo producía combustión en presencia de oxígeno y describió como los organismos vivos, en igual medida, necesitan oxígeno para la combustión de alimentos, liberando calor como producto de esta reacción exotérmica. La producción de energía generada por los procesos bioquímicos del cuerpo humano puede ser determinada gracias a la medición del consumo de oxígeno (VO2) y la producción de dióxido de carbono (VCO2), en conjunción con la cuantificación del nitrógeno uréico excretado. La calorimetría indirecta utiliza para la cuantificación del gasto energético ecuaciones derivadas de diferentes fórmulas químicas con VO2 y VCO2 específicos para cada substrato. Para tal fin se utiliza una canopia o mascarilla de donde se toman las muestras de aire espirado mientras el sujeto permanece tumbado. La técnica no es invasiva y puede emplearse, con buenos resultados de precisión y exactitud, en estudios de investigación y en la práctica asistencial.



Monitorización del ritmo cardiaco minuto a minuto


Este método, bien aceptado tanto en niños como adultos, se basa en el incremento lineal proporcional del ritmo cardiaco cuando aumenta el VO2 durante el ejercicio físico. Esta relación entre el VO2 y el ritmo cardiaco varía según el individuo, por lo tanto, se necesitan curvas de calibración personal que imiten una actividad en condiciones libres. Los registros de VO2 mediante calorimetría indirecta y de frecuencia cardiaca se determinan simultáneamente en diferentes niveles de ejercicio físico. Las ventajas de este método son su utilidad en registros objetivos y continuos del gasto energético, el no ser invasivo ni caro y poderse desarrollar en condiciones libres. Debido a sus características se puede aplicar en una muestra amplia de niños y adolescentes, de manera ambulatoria, con una precisión y exactitud aceptables.


Agua doblemente marcada (2H218O)


La técnica del 2H218O está basada en la posibilidad de marcar el agua corporal para medir la diferencia en la tasa de desaparición de dos isótopos no radioactivos: 2H y 18O, determinada mediante muestras de saliva, orina o sangre, y con ello el VCO2 y VO2. La técnica es fácilmente soportable por los niños y adolescentes porque sólo tienen que tomar una sola dosis de 2H218O para marcar el agua corporal total. En condiciones libres, este método da un valor medio muy exacto del gasto energético total durante un periodo de 1-2 semanas. La técnica es simple, no invasiva y bien aceptada incluso para recién nacidos.


Acelerometría


Varios aparatos portátiles han sido comercializados con el objeto de medir el gasto energético a partir del movimiento y aceleración corporales. Los acelerómetros más modernos son triaxiales, es decir, miden las aceleraciones del cuerpo minuto a minuto en tres ejes: delante-detrás, arriba-abajo y derecha-izquierda. Las ventajas generales de estos aparatos son su bajo costo y su capacidad para dar información sobre diferentes grados y patrones de actividad física. Sus limitaciones en niños son: a) que los propios niños se quiten estos aparatos portátiles o los sumerjan en agua, ya que hay que llevarlos constantemente, b) que las fórmulas utilizadas para el cálculo cuantitativo del gasto energético se idearon para adultos y, por este motivo, conllevan errores importantes.


Cuestionarios de actividad física:


Los cuestionarios pueden ser útiles en estudios epidemiológicos a gran escala. La mayor dificultad que presentan es que su exactitud depende de la habilidad o interés del niño o de sus padres para rellenar el cuestionario con la información de lo sucedido. Además, por mucho que se quiera ajustar el cuestionario a la realidad, es muy difícil traducir las actividades apuntadas en el cuestionario a kilocalorías gastadas en las diferentes actividades diarias de un individuo, principalmente porque los equivalentes energéticos que se utilizan son fijos y sólo dependen del tiempo de duración de la actividad y del peso del niño, nada más apartado de la realidad fisiológica.


4.6 Genoma mitocondrial y enfermedades relacionadas


Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en todos los seres eucariotas aeróbicos; contienen las enzimas para la mayoría de las reacciones oxidativas que generan energía para las funciones celulares. Estas enzimas incluyen a la piruvato-deshidrogenasa, a las involucradas en el transporte de electrones, en la fosforilación oxidativa, en el ciclo del ácido cítrico, y en la oxidación de ácidos grasos. Actualmente se conocen las secuencias completas del ADN de varios genomas mitocondriales. Al ADN mitocondrial se lo conoce como ADNmt (mtDNA).


La estructura del genoma mitocondrial es circular como es el del genoma bacteriano. Se trata de una molécula circular de ADN, helicoidal, con doble hebra, y supercondensada. Se conocen también algunos pocos casos de genomas mitocondriales de forma lineal. En muchos casos, el contenido de GC (guanina-citosina) del ADNmt difiere en gran medida del ADN nuclear, y esto permite separar el ADNmt del nuclear por centrifugación en un l gradiente de cloruro de cesio. No existen histonas u otras proteínas semejantes asociadas al ADNmt. Existen muchas copias del genoma mitocondrial en cada mitocondria, las que se ubican en ciertas regiones llamadas nucleoides. En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad porque las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras. Esto hace que una hebra sea más "pesada" y otra más "liviana". en el ADNmt.

El contenido de genes de genomas mitocondriales de distintas especies es bastante similar tanto en número como en cantidad de funciones distintas. Sin embargo, el tamaño varía enormemente entre distintos organismos.

En los animales, el genoma mitocondrial generalmente es menor a 20 kb (kilobases); por ejemplo, en el hombre el ADNmt tiene 16.569 bp (pares de bases). Por su parte, el ADNmt de una levadura contiene cerca de 80.000 bp (80 kb), mientras que en las plantas varía entre 100 y 2.000 kb. La mayor diferencia entre animales, hongos y plantas es que en los animales el ADNmt codifica algún producto en casi toda su extensión, mientras que en el genoma mitocondrial de hongos y plantas existen largas secuencias de DNA que no codifican productos.

En general, el ADNmt contiene información para la síntesis de una cantidad de componentes de las mitocondrias, como ser: distintos ARNt y ARNr, algunos de los polipéptidos que constituyen las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y ATPasas. Otros componentes de las mitocondrias están codificados por genes nucleares y luego son introducidos a las mitocondrias.. Estos componentes incluyen a la ADN-polimerasa y otras proteínas necesarias para la replicación del ADNmt; también la ARN-polimerasa y otras proteínas de la transcripción, o proteínas ribosomales para la formación de los ribosomas mitocondriales, factores de transcripción proteicos, y algunas otras subunidades peptídicas para la integración de las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y ATPasas.

Los genes mitocondriales que codifican proteínas se pueden encontrar en cualquiera de las dos hebras del ADNmt. Los ARN mensajeros (ARNm) que se sintetizan a partir de genes en el ADNmt permanecen dentro de la mitocondria y son traducidos por ribosomas propios de la mitocondria. Los ribosomas mitocondriales consisten de dos subunidades como sucede con los ribosomas del citoplasma. En células humanas, el ribosoma mitocondrial completo es una unidad de 60S que consiste en una subunidad de 45S y otra de 35S. Existen solamente dos moléculas de ARNr en el ribosoma mitocondrial de muchos organismos: una molécula de ARNr de 16S en la subunidad mayor y otra 12S en la subunidad menor del ribosoma animal. Generalmente existe solo un gen en el genoma mitocondrial para cada una de estas dos moléculas de ARNr.

Las proteínas que constituyen los ribosomas mitocondriales están codificadas en genes nucleares, se traducen en ribosomas citoplásmicos y luego se introducen en las mitocondrias para integrar los ribosomas mitocondriales. En algunos organismos, sin embargo, una o algunas proteínas del ribosoma mitocondrial están codificadas por genes del genoma mitocondrial.

La transcripción en el ADNmt de los mamíferos es bastante particular: tiene un solo lugar de inicio y se transcribe en forma continua formando un solo tanscripto, inusualmente largo. Este transcripto es procesado luego para producir distintas moléculas de ARNt y de ARNr, además de moléculas maduras de ARNm para la producción de cadenas polipeptídicas. Para eso es interesante observar que los genes que codifican ARNr o ARNm están separados por genes que codifican ARNt (Fig. 1). En el largo transcripto original, las moléculas de ARNt son identificadas por enzimas que cortan el transcripto y separan los ARNt, dejando libres a los ARNm y ARNr. Estos transcriptos así procesados luego son modificados para producir ARNr maduros. El proceso de modificación incluye también el agregado de la cola de poliadenina al extremo 3' de los ARNm y la secuencia CCA en el extremo 3' de los ARNt. Los ARNm de las mitocondrias no tienen la cápsula característica del extremo 5' que se agrega en los ARNm del genoma nuclear de los eucariotas.

En los genomas mitocondriales de los hongos y las plantas, que son mucho más grandes, los genes de ARNt no son separadores de los otros genes, ya que existen secuencias no codificantes bastante grandes entre genes. En estos sistemas, el final de la transcripción está indicado por otro tipo de secuencias en el ADNmt.

No existen intrones en el genoma mitocondrial de animales, pero existen en el genoma mitocondrial de las plantas.



REFERENCIAS


  • http://www.biologia.edu.ar/metabolismo/met6.htm
  • http://www.fagro.edu.uy/~bioquimica/docencia/basico/BIOENERGETICA%20y%20CADENA%20RESPIRATORIA.pdf
  • http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/introduccion%20fosforilacion%20oxidativa.html
  • http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/teoria%20quimiosmotica.html
  • http://themedicalbiochemistrypage.org/spanish/oxidative-phosphorylation-sp.html
  • http://www.ibt.unam.mx/computo/pdfs/termodinamica_biologica/cadenarespiratoriaterminal.pdf
  • http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_ambiental/BA-RES-13.pdf
  • http://www.alimentacionynutricion.org/es/index.php?mod=content_detail&id=51

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