TEMA 2. ATP

2. ATP

2.1 El ATP como fuente de energía libre en los sistemas biológicos

Fuente de energía

El ATP es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas. También desempeña un papel fundamental en el transporte de macromoléculas a través de las membranas celulares, es decir, en la exocitosis y endocitosis.

Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol:

Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:

La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:

La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato.

Sin embargo, hay un nivel de entalpía a sobrepasar antes de liberar esta energía (estado de transición). Esto explica por qué la hidrólisis de los enlaces pirofosfato no sucede todo el tiempo. Las enzimas son capaces de reducir ese umbral de entalpía para utilizar la energía liberada.

Si la energía se almacena en los enlaces anhídridos, podríamos preguntarnos cuál es el interés de los seres vivos para sintetizar la molécula en su conjunto y no sólo el pirofosfato libre. La razón es, probablemente, la capacidad de las enzimas para reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos libres, que son muy similares a todos los grupos fosfatos presentes en las biomoléculas.

El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP. La coenzima ATP/ADP es un proveedor de energía universal, y es la principal fuente de energía directamente utilizable por la célula. En los seres humanos, el ATP constituye la única energía utilizable por el músculo.

En la síntesis del ácido nucleico ARN, el ATP es uno de los cuatro nucleótidos incorporados directamente en las moléculas por las enzimas ARN polimerasas. La energía que conduce esta polimerización procede de la ruptura del pirofosfato (dos grupos de fosfato). El proceso es similar en la biosíntesis de ADN, salvo que el ATP se reduce al desoxirribonucleótido dATP, antes de su incorporación en el ADN.

El ATP está críticamente involucrado en el mantenimiento de la estructura celular, facilitando el montaje y desmontaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso similar, el ATP es necesario para el acortamiento de los filamentos de actina y miosina necesarios para la contracción muscular. Este último proceso es una de las principales necesidades energéticas de los animales y es esencial para la locomoción y la respiración.

Señalización extracelular

El ATP, el ADP o la adenosina son reconocidos por los receptores purinérgicos. En los seres humanos, esta señalización tiene un importante papel tanto en el sistema nervioso central como en el periférico. La liberación de ATP de las sinapsis, los axones y la neuroglía activa los receptores de membrana purinéricos conocidos como P2. Los receptores P2Y son metabotrópicos, es decir, modulan el calcio intracelular y, a veces, los niveles de AMP cíclico.

Señalización intracelular

Es utilizado por las quinasas como la fuente de grupos fosfato en sus reacciones de transferencia de fosfato. La actividad de las quinasas sobre los sustratos como las proteínas o los lípidos de la membrana son una forma común de transducción de señales. La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar esta cascada.

La adenilato ciclasa también usa el ATP y lo transforma en AMP cíclico (AMPc), una molécula segundo mensajero que está involucrada en el desencadenamiento de las señales de calcio mediante la liberación de calcio intracelular. Esta forma de transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral, aunque está involucrada en la regulación de multitud de otros procesos celulares.Síntesis de desoxirribonucleótidos
En todos los organismos conocidos, los desoxirribonucleótidos que componen el ADN se sintetizan por la acción de enzimas ribonucleótido reductasas (RNR). Estas enzimas reducen el grupo hidroxilo 2' en el azúcar ribosa, que pasa a ser desoxirribosa, formando un desoxirribonucleótido (dATP). Todas las enzimas ribonucleótido reductasas usan un radical sulfidrilo común en un mecanismo de reacción que depende de los residuos cisteína, que se oxidan para formar enlaces disulfuro en el curso de la reacción. Las enzimas RNR son recicladas mediante reacción con tiorredoxina o glutaredoxina.

2.2 Estructura del ATP: inestabilidad y formación de híbridos de resonancia.

Adenosina trifosfato (ATP)

La adenosina trifosfato (abreviado ATP, y también llamada adenosín-5'-trifosfato o trifosfato de adenosina) es una molécula utilizada por todos los organismos vivos para proporcionar energía en las reacciones químicas. También es el precursor de una serie de coenzimas esenciales como el NAD+ o la coenzima A. El ATP es uno de los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular. Además, es una coenzima de transferencia de grupos fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimas quinasas (co-sustrato).

El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann. En 1941, Fritz Albert Lipmann propuso el ATP como principal molécula de transferencia de energía en la célula.

PROPIEDADES Y ESTRUCTURA

Estructura en 3D del ATP

El ATP es un nucleótido trifosfato que se compone de adenosina (adenina y ribosa, como β-D-ribofuranosa) y tres grupos fosfato. Su fórmula molecular es C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃. La estructura de la molécula consiste en una base purina (adenina) enlazada al átomo de carbono 1' de un azúcar pentosa. Los tres grupos fosfato se enlazan al átomo de carbono 5' de la pentosa. Los grupos fosforilo, comenzando con el grupo más cercano a la ribosa, se conocen como fosfatos alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza rápidamente a pH extremo. Por consiguiente, se almacena mejor como una sal anhidra.

La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol y su acidez es de 6.5. Es una molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se convertirán a ADP. Las células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de magnitud del equilibrio, siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla de ATP y ADP en equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil. El ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como una forma de almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del equilibrio.

El ATP tiene múltiples grupos ionizables con diferentes constantes de disociación del ácido. En solución neutra, el ATP está ionizado y existe principalmente como ATP^4-, con una pequeña proporción de ATP^3-. Como tiene varios grupos cargados negativamente en solución neutra, puede quelar metales con una afinidad muy elevada. El ATP existe en la mayoría de las células en un complejo con Mg²⁺.

1. Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa.
   Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos.
   La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis.

2.    Repulsión electrostática: A pH 7 , la unidad trifosfato del ATP presenta cuatro cargas negativas. Estas cargas se repelen mutuamente al estar muy próximas. Al hidrolizarse el ATP, la repulsión entre ellas se reduce.

3.- Estabilización debido a la hidratación: Por último, el agua se puede unir más   eficazmente al ADP y Pi, que a la porción fosfoanhídrido del ATP, con lo cual el ADP y Pi se estabilizan por hidratación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.

2.3 Potenciales de transferencia de fosfato

En las reacciones de hidrólisis con variaciones de energía libre estándar grandes y negativas, los productos son más estables que los reactivos debido a una o varias de lassiguientes razones:

(1) la tensión de enlace en los reactivos debido a repulsión electrostática queda liberada por la separación de carga, tal como sucede en el caso del ATP;

(2) los productos están estabilizados por ionización, como en el caso del ATP, acil fosfatos y tioésteres; (3) los productos están estabilizados por isomerización

(tautomerización), como sucede con el PEP, y (4) los productos están estabilizados por resonancia, como la creatina liberada a partir de la fosfocreatina, el ión carboxilato liberado de los acil fosfatos y tioésteres y el fosfato (Pi) liberado de enlaces anhídrido o éster.

2.4 Hidrólisis de ATP y energía libre

El ATP constituye la unión química entre catabolismo y anabolismo. Es la moneda energética de la célula viva. La conversión exergónica del ATP a ADP y Pi, o a AMP y PPi, está acoplada a muchas reacciones y procesos endergónicos.

• La hidrólisis directa del ATP es la fuente de energía en procesos que son impulsados por cambios de conformación pero, por norma general, no es la hidrólisis del ATP sino la transferencia de un grupo fosforilo, pirofosforilo o adenililo del ATP al sustrato o al enzima la que acopla la energía de rotura del ATP a transformaciones endergónicas de sus A través de estas reacciones de transferencia de grupo, el ATP proporciona la energía para las reacciones anabólicas, incluida la síntesis de macromoléculas portadoras de información, y para el transporte de moléculas e iones a través de las membranas contra gradientes de concentración o de potencial eléctrico.

• Para mantener su elevado potencial de transferencia de grupo, la concentración ATP debe mantenerse muy por encima de la concentración de equilibrio mediante reacciones del catabolismo que producen energía.

Las células contienen otros metabolitos con energías libres de hidrólisis grandes y negativas. Entre ellos se incluyen el fosfoenolpiruvato, el 1,3- bisfosfoglicerato y la fosfocreatina. Estos compuestos de elevada energía, al igual que el ATP, tienen un potencial de transferencia del grupo fosforilo elevado. Los tioésteres también tiene elevadas energías libres de hidrólisis.

• El polifosfato inorgánico, presente en todas las células, puede servir como reserva de grupos fosforilo con elevado potencial de transferencia

FIGURA Hidrólisis del ATP en dos pasos.

(a)La contribución del ATP a una reacción se muestra a menudo como un paso único, pero es casi siempre un proceso en dos pasos.

(b) Se muestra aquí la reacción catalizada por la glutamina sintetasa dependiente de ATP.(1) Se transfiere un grupo fosforilo desde el ATP al glutamato, y a continuación (2) del grupo fosforilo es desplazado por la escisión de P; a partir del fosfoenolpiruvato libera más energía de la necesaria para conseguir la

condensación de Pi con ADP, la donación directa de un grupo fosforilo del PEP al ADP es termodinámicamente factible:

ΔG'° (kJ/mol)

(1) PEP + H20 --> piruvato + Pi -61,9

(2) ADP + Pi--> ATP + H20 +30,5

Suma:PEP + ADP --> piruvato + ATP -31,4

2.5 Hidrólisis de ATP acoplada a las reacciones bioquímicas no espontáneas

Una reacción termodinámicamente desfavorable puede resultar posible al acoplarse a la hidrólisis del ATP. Supongamos una reacción de éstas características sin aporte de energía libre, una situación muy frecuente en las reacciones biosintéticas.

2.6 NADH y FADH2 como fuentes de poder reductor

La cadena de transporte de electrones permite la liberación de una gran cantidad de energía química almacenada en el NAD+ reducido (NADH) y FAD reducido (FADH2). La energía liberada es capturada en la forma de un ATP (3 ATP por NADH y 2 ATP por FADH2).

NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + 1/2 O2 NAD+ + H2O + 3 ATP

FADH2 + 2 ADP + 2 Pi + 1/2 O2 FAD+ + H2O + 2 ATP

La cadena de transporte de electrones (CTE) consiste de una serie de moléculas, mayormente proteínas, embedidas en la membrana interna de la mitocondria.

La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH y FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP. Este proceso metabólico está formado por un conjunto de enzimas complejas, ubicadas en la membrana interna de las mitocondrias, que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua.
La fosforilación oxidativa es un proceso bioquímico que ocurre en las células. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración celular, tras la glucólisis 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 procariotas es la membrana plasmática y en eucariotas es la membrana interna de las dos de que consta la 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.
La teoría quimiosmotica establece que ambos procesos -(F.O y CTe-) están acoplados energéticamente. Por Ej, la Oligomicina se une a la Fracción Fo de la Atpasa e inhibe la síntesis de ATP, por lo tanto detendrá también a la cadena de transporte de electrones. Por lo tanto disminuirá el consumo de O2. Hay sustancias que actuan como desacoplantes de estos dos procesos, para que puedan actuar de manera individual. Por ejemplo siguiendo con el caso anterior, si ahora se agregara 2,4-dinitrofenol, que es un ácido débil que actúa como desacoplante, el consumo de O2 se reestablecería, ya que tenderá a liberar la cadena de transporte de electrones, aunque la oligomicina continue bloqueando la producción de ATP. La fracción Fo está formada por proteinas transmembrana en la membrana mitocondrial interna (MMI), y es básicamente un poro que permite el paso de H+. La fracción F1 se encuentra del lado interno de la MMI y es la encargada de utilizar la disipación del gradiente electroquímico para fosforilar ADP + Pi y liberar ATP.
Los nucleótidos entran y salen de la mitocondria a través de transportadores específicos.
Un gran complejo proteico llamado ATP-sintasa situado en la membrana mitocondrial interna (MMI), permite a los protones pasar a través en ambas direcciones; genera el ATP cuando el protón se mueve a favor 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-sintasa, 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 2,5 moléculas de ATP. Cada molécula de FADH2 produce 1,5 moléculas de ATP.[1] Todas juntas, las 10 moléculas de NADH y las 2 FADH2 provenientes de la oxidación de la glucosa (glucólisis, descarboxilación oxidativa de piruvato en acetil-CoA y ciclo de Krebs) a formar 28 de las 36 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.

BIBLIOGRAFIA

 http://grupos.unican.es/asignaturabioquimica/documentos/AAgrado%2009-10/T10%20TRANSFERENCIA%20DE%20GRUPOS%20FOSFORILO%20Y%20ATP%20.pdf

http://www.coenzima.com/adenosina_trifosfato_atp



VIDEO DE ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

TEMA 1. REACCIONES OXIDO REDUCCION

1. REACCIONES OXIDO REDUCCION

1.1 OXIDACION Y REDUCCION

Oxidación

Originalmente, el término oxidación se asignó a la combinación del oxígeno con otros elementos. Existían muchos ejemplos conocidos de esto. El hierro se enmohece y el carbón arde. En el enmohecimiento, el oxígeno se combina lentamente con el hierro formando óxido ferroso (Fe₂ O₃); en la combustión, se combina rápidamente con el carbón para formar CO₂. La observación de estas reacciones originó los términos oxidación “lenta” y "rápida”.

Sin embargo, los químicos observaron que otros elementos no metálicos se combinaban con las sustancias de la misma manera que lo hacia el oxígeno con dichas sustancias. El oxígeno, el antimonio y el sodio arden en atmósfera de cloro y el hierro en presencia de flúor. Como estas reacciones  eran semejantes, los químicos dieron una definición de oxidación más general. Los reactantes O₂ o Cl₂, eliminaban electrones de cada elemento. Por tanto, la oxidación se definió como el proceso mediante el cual hay pérdida aparente de electrones de un átomo o ión.

Reducción

Originalmente una reacción de reducción se limitaba al tipo de reacción en la cual los óxidos se “reducían" (se desprendían) de sus óxidos. El óxido de hierro se "reducía” a hierro con monóxido de carbono. El óxido de cobre (II) podía “reducirse” a cobre con hidrógeno. En estas reacciones se eliminaba oxígeno y se obtenía el elemento  libre. El elemento libre puede obtenerse de otras maneras. La inmersión de un clavo de hierro en una solución de sulfato de cobre (II) causa una reacción en la cual se produce  cobre libre.

La semejanza entre las reacciones de oxidación-reducción condujo a los químicos a formular una definición más general de reducción: La reducción es un proceso mediante el cual los átomos o iones adquieren electrones.

1.2. REACCIONES REDOX

Las pilas que utilizamos en juguetes, controles remotos o relojes les proveen de la energía necesaria para hacer un trabajo. En la pila hay dos componentes químicos con diferente afinidad por los electrones, por lo que se establece un flujo de electrones espontáneo que finalmente produce energía eléctrica. En la pila está ocurriendo una reacción redox o de oxido-reducción que consiste en la transferencia de electrones desde un dador (agente reductor) a un aceptor (agente oxidante). Un ejemplo de reacción redox es la oxidación del ion ferroso por el ion cúprico:

Fe2+ + Cu2+ D Fe3+ + Cu+

En este caso, el catión ferroso (Fe2+) se oxida mientras que el ion cúprico (Cu2+) gana electrones, y se reduce. La oxidación y la reducción deben ocurrir simultáneamente, es decir, para que una sustancia se oxide (pierda electrones) es necesario que esté en contacto con otra que se reduzca (gane electrones).
En sistemas biológicos las reacciones redox son fundamentales, al punto que el uso e intercambio de energía en el metabolismo es regido por reacciones de oxidación y reducción.

La glucosa, por ejemplo, es un intermediario clave de varias rutas metabólicas. En función del nivel energético, la glucosa presenta distintos destinos. Si la carga de energía celular es baja, entonces sufrirá una serie de reacciones de oxidación con la concomitante liberación de energía. Por el contario, si la célula no precisa energía, la glucosa se almacena luego de ser polimerizada en forma de glucógeno o almidón (según el tipo de organismo), con absorción de energía.
El flujo de electrones juega un rol central en la respiración celular y en la fotosíntesis. En la membrana interna mitocondrial y en la membrana tilacoidal de los cloroplastos existen cadenas transportadoras de electrones. Cada uno de los componentes de la cadena se van reduciendo y oxidando, de forma que el primero le cede electrones al segundo, éste al tercero, y así sucesivamente hasta un aceptor final que se reduce definitivamente. Con el transcurrir de los electrones por la cadena, se van liberando energía que se aprovecha para sintetizar ATP.

1.3 RADICALES LIBRES

 Radicales libre y antioxidantes

Radicales libres

Los radicales libres son moléculas inestables y muy reactivas. Para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en cadena que dañará a muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no intervienen.

Los radicales libres producen daño a diferentes niveles en la célula:

• Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de deshechos, división celular…).

El radical superóxido, O2, que se encuentra normalmente en el metabolismo provoca una reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos de la membrana celular.

• Atacan al DNA impidiendo que tenga lugar la replicación celular y contribuyendo al envejecimiento celular.

Los procesos normales del organismo producen radicales libres como el metabolismo de los alimentos, la respiración y el ejercicio. También estamos expuestos a elementos del medio ambiente que crean radicales libres como la polución industrial, tabaco, radiación, medicamentos, aditivos químicos en los alimentos procesados y pesticidas. No todos los radicales libres son peligrosos pues, por ejemplo, las células del sistema inmune crean radicales libres para matar bacterias y virus, pero si no hay un control suficiente por los antioxidantes, las células sanas pueden ser dañadas.

Antioxidantes

Un antioxidante es aquella sustancia que presenta bajas concentraciones respecto a la de un sustrato oxidable(biomolécula) que retarda o previene su oxidación.

Los antioxidantes que se encuentran naturalmente en el organismo y en ciertos alimentos pueden bloquear parte de este daño debido a que estabilizan los radicales libres. Son sustancias que tienen la capacidad de inhibir la oxidación causada por los radicales libres, actuando algunos a nivel intracelular y otros en la membrana de las células, siempre en conjunto para proteger a los diferentes órganos y sistemas.

Existen diferentes tipos de oxidantes:

• Antioxidantes endógenos: mecanismos enzimáticos del organismo (superóxidodismutasa, catalasa, glutatión peroxidasa, glutatión y la coenzima Q-). Algunas enzimas necesitan cofactores metálicos como selenio, cobre, zinz y magnesio para poder realizar el mecanismo de protección celular.

• Antioxidantes exógenos: son introducidos por la dieta y se depositan en las membranas celulares impidiendo la lipoperoxidación(vitaminas E y C y del caroteno).

En el café existen unos excelentes antioxidante que son los flavonoides, compuestos polifenólicos.

Clasificación de los antioxidantes Exógenos	Endógenos		Cofactores
Vitamina E	Glutatión		Cobre
Vitamina C	Coenzima Q		Zinc
Betacaroteno	Ácido tióctico		Manganeso
Flavonoides	Enzimas: Superóxidodismutasa(SOD) Catalasa Glutatión peroxidasa		Hierro
Licopeno		Selenio

Un nutriente tiene propiedades antioxidantes cuando es capaz de neutralizar la acción oxidante de la molécula inestable de un radical libre sin perder su propia estabilidad electroquímica. El organismo está luchando contra radicales libres a cada momento del día, pero el problema se produce cuando tiene que tolerar de forma continuada un exceso de radicales libres. El exceso es producido sobre todo por contaminantes externos que entran a nuestro cuerpo. La contaminación atmosférica, el humo del tabaco, los herbicidas, pesticidas o ciertas grasas son algunos ejemplos de elementos que generan radicales libres que ingerimos o inhalamos. Este exceso no puede ya ser eliminado por el cuerpo y, en su labor de captación de electrones, los radicales libres dañan las membranas de nuestras células, llegando finalmente a destruir y mutar su información genética, facilitando así el camino para que se desarrollen diversos tipos de enfermedades. La acción de los radicales libres está ligada al cáncer así como al daño causado en las arterias por el colesterol "oxidado", lo que relaciona directamente estas moléculas con las enfermedades cardiovasculares.

Estrés oxidativo

Los radicales libres oxidan muchas estructuras biológicas, dañándolas. Es lo que llamamos el daño oxidativo, importante causa del envejecimiento, el cáncer, la ateroesclerosis, los procesos inflamatorios crónicos y las cataratas, que son las más características.

En determinadas circunstancias, la producción de radicales libres puede aumentar en forma descontrolada, situación conocida con el nombre de estrés oxidativo. El concepto expresa la existencia de un desequilibrio entre las velocidades de producción y de destrucción de las moléculas tóxicas que da lugar a un aumento en la concentración celular de los radicales libres. Las células disponen de mecanismos de protección del efecto nocivo de los radicales libres basado en un complejo mecanismo de defensa constituido por los agentes antioxidantes.

El estrés oxidativo ocurre en los organismos que, por mala nutrición, enfermedad u otras causas, pierden el equilibrio entre radicales libres y antioxidantes. Es en esta situación de estrés oxidativo en la que se manifiestan las lesiones que producen los radicales libres, que reaccionan químicamente con lípidos, proteínas, carbohidratos  ADN al interior de las Células, y con componentes de la matriz extracelular, por lo que pueden desencadenar un daño irreversible que, si es muy extenso, puede llevar a la muerte celular.

Enfermedades o procesos asociados al daño oxidativo en las moléculas biológicas:

• Envejecimiento: Peroxidación de los ácidos grasos de la membrana celular y daño del ADN.

• Ateroesclerosis: Peroxidación de lípidos en las partículas de LDL con daño de otros componentes.

• Cáncer: Daño del ADN.

• Cataratas: Modificaciones irreversibles en las proteínas.

• Cuadros Inflamatorios Crónicos: Activación de genes relacionados con la respuesta inflamatoria.

Los radicales libres contribuyen al proceso del envejecimiento cuando toman el electrón que les hace falta de las células del tejido colágeno de la piel, dando como consecuencia, que la piel pierda su elasticidad al dañarse las fibras elásticas y la aparición precoz de arrugas y sequedad.

Los radicales libres también pueden contribuir al crecimiento anormal de las células, al perder éstas la capacidad de “reconocer” las células vecinas. Esa proliferación sin control se produce en los tumores benignos o malignos (cáncer).

Los radicales libres son moléculas que se derivan del oxígeno, están en continua formación en las células del organismo, y en pequeñas cantidades no producen efectos tóxicos. En situación normal la producción de radicales libres es constante en una concentración determinada, y son neutralizados por las defensas antioxidantes, estas pueden ser sustancias propias del organismo (las enzimas antioxidantes), o pueden ser sustancias que vienen con los alimentos (la vitamina C, la E y el Beta caroteno, flavonoides, etc.).

BIBLIOGRAFIA

www.salonhogar.net/.../Oxido_reduccion.htm -
www.monografias.com › Quimica
www.textoscientificos.com/quimica/.../redox

RESUMEN ARTICULO CIENTIFICO 10: EFECTOS DE LA CONGELACION EN LAS MEMBRANAS Y PROTEINAS DE CELULAS TUMORALES DE PROSTATA LNCaP

La criocirugia se esta utilizando como terapia para cancer en la prostata. Se basa en una lesion a la celula por la congelacion, esta celula es cancerosa. el tipo de daño a esta celula es determinado por la velocidad de enfriemiento. El enfriamiento rapido induce la formacion de hielo fuera de la celula antes de su propagacion dentro de la misma. Por lo tanto se puede decir que el mayor daño a la celula ocurre durante la congelacion,el determinante en la formacion de hielo intracelular es la temperatura de nucleacion, cuanto menor sea esta temperatura, la incidencia de formacion de hielo intracelular es mayor.
La congelacion afecta los lipidos de la membrana, las proteinas, los acidos nucleicos cambiando sus interacciones, estructura y funcion. el enfriamiento por su parte altera el estado fisico de lipidos alterando asi su organizacion y fluidez.
El cambio en la membrana puede derivar en fuga de solutos citoplasmaticos y las proteinad pueden ser atacadas por radicales libres y especies reactivas de oxigeno, tambien degradadas por proteasas procedentes de lisosomas que pierden la integridad de membrana en congelacion o descongelacion.
para el estudio de congelacion inducida a biomoleculas celulares y observar cambios en su conformacion se utilizo espectroscopia infrarroja (FTIR).
Para determinar en cambio en las proteinas, en su estructura secundaria se analizan las bandas de amida I, II y III, se confia mas en la banda de amida III porque la estructura secundaria esta mejor resuelta y esta region del espectro no encuentra interferencia.
Por tanto la tecnica FTIR se utilizo para observar cambios en lipidos de membrana, estructura secundaria de proteinas durante congelacion de las celulas tumorales de prostata LNCaP.
Las celulas se cultivaron en DMEM F-12 con FBS 5%, 1% de penicilina/estreptomicina solucion salina, 250nM dexametasona y 5% de CO2 a 37°C. la dependencia de temperatura a espectros de FTIR se estudiaron´por enfriamiento de la muestra de temperatura ambiente hasta -80°C.
La muestra se enfria a velocidad de -2°C/minuto mostrando formacion de hielo cerca de -10°C, se uso como nucleador Pseudomonas synringae lo que dio temperaturas de nucleacion desde -4 a -8°C.
la desidratacion celular y formacion de hielo intracelular son los modelos para predecir la biofisica celular de celulas tumorales LNCaP; dependiendo de variedad de temperaturas de congelacion y parametros especificos. Despues de la congelacion se preparan las muestras con yoduro de propidio que tiñe ADN solo de celulas con membranas modificadas, las celulas con daño se cuentan con microscopio de fluorescencia y se contaron de 3 a 5 campos que contenian de 30 a 40 celulas, esto corresponde a la viabilidad obtenida sobre la base de celulas vivas.
Los resultados indican que la formacion de hielo intracelular se evita cuando se da la nucleacion entre 0 y -4°C. A temperaturas inferiores a -4°C aumenta a % de formacion de este  y a -6°C hay un 100% de incidencia en su formacion. la deshidratacion que se produce despues de la nucleacion reducira la cantidad total de hielo intracelular letal en estas celulas. entonces de 0 a -4°C hay disminucion en volumen celular con tendencia a formacion del hielo, de -4 a -6°C la deshidratacion y formacion de hielo ocurre al mismo tiempo y a temperaturas inferiores a -6°C hay deshidratacion minima y maxima formacion de hielo. si hay de 5 a 10% en agua en fase de hielo intracelular se considera letal para la mayoria de las celulas y a % menor se considera tolerado y puede correlacionarse con condiciones de supervivencia.
En el resultado de FTIR hay espectros de absorcion de infrarrojos a 20°C, 80°C y -80°C, dominado por la señal de agua o de hielo, la banda de amida I es visible a 1655cm-1 y a 1550cm-1 es visible la banda II, la region de la banda III va de 1330 y 1200 cm-1. la desnaturalizacion de la proteina coincide con el aumento brusco en formacion de estructuras extendidas en la hoja beta.
En cuanto a la membrana, la temperatura de su fase de transicion coincide con la temperatura a la cual se forma el hielo. esta temperatura afecta la nucleacion en la fase de transicion y la conformacion de la membrana en estado de congelacion. la desnaturalizacion en la membrana comienza a 48°C y la tasa de acumulacion de hoja beta helice a 66°C.
Variando la temperatura de 90°C a 20°C durante el enfriamiento se observan las bandas de las amida para determinar que este proceso de desnaturalizacion es irreversible, a pesar de que hay estabilidad durante la congelacion.
Como conclusion, la formacion de hielo intracelular es considerado la principal causa de lesiones en las temperaturas de nucleacion dependiendo de la velocidad de enfriemiento para diferentes tipos de celulas, en este caso, LNCaP asi como la deshidratacion es otra causa de muerte celular durante la congelacion.
La toleracncia muestra supervivencia en niveles intermedios de deshidratacion y formacion de hielo intracelular.
La deshidratacion se manifiesta como diaminucion en la fluidez de la membrana en estado de congelacion.
a -4°C en la nucleacion hay formacion del hielo, la desnaturalizacion se da a temperaturas mayores a 50°C y de 0 a 20°C por frio.

RESUMEN ARTICULO CIENTIFICO 9. INTRODUCCIONA A LA RADIACION ULTRAVIOLETA (UV) Y OZONO.

El sol es una esfera gaseosa compuesta principalmente de hidrogeno y helio, su temperatura central es de 15 millones de ºC y la superficie tiene 5mil ºC.

La energía que recibe la tierra proviene de una capa delgada llamada fotosfera o corteza que se encuentra a 4000-6000 K, esta energía tiene su origen en el núcleo e interior del sol, la radiación emitida por el sol comprende una gama continua y muy extensa de longitudes de onda que van desde los rayos gamma a las ondas de radio, pasando por los rayos X, (UV), visible, infrarrojo y microondas.

Una parte considerable de la radiación UV procedente del sol es absorbida a a su paso por la atmosfera. Siendo el ozono el principal responsable, impidiendo de esta forma que esta radiación dañina para los organismos biológicos, alcance la superficie terrestre, la radiación UV no es del todo mala, ya que una parte de esta interviene en la función fotosintética de vegetales y síntesis de vitamina D.

El término “capa de ozono” está mal empleado ya que no hay un nivel donde este concentrado este gas, al contrario, es un gas escaso y diluido, tan es así que a ninguna altura llega a representar ni el .0001% del volumen total del aire, su espesor depende de la latitud y época del año.

La atmosfera juega un papel fundamental en el intercambio y redistribución del calor a partir de un complicado sistema de corrientes circulatorias que gobiernan los fenómenos meteorológicos que tienen lugar en su seno, cuya sucesión configura el clima de cada una de las zonas del planeta.

Los efectos de la radiación UV sobre los seres vivos son diversos, puede referirse a la acción sobre la piel, sobre los ojos, sobre las plantas, así como el ADN a nivel de las bases pirimidicas de la doble hélice del ADN produciendo efectos que son oncogénicos y fotocarcinogenesis. La acción sobre las pieles humanas se manifiesta de varias formas, siendo las más comunes la acción eritematica y el desarrollo de cáncer en la piel. Los melanomas no son del todo consecuencia de la radiación UV ya que se han encontrado también en las mucosas.

El eritema se encuentra en el espectro de absorción entre 280 y 297 nm.hay varios pasos para establecer un índice de predicción eritematica en los que resalta el análisis de espesor de la capa de ozono basado en los datos del dia anterior, pronóstico de contenido de ozono, estimación de la irradiancia UV espectral que alcanzara la superficie terrestre al mediodía, etc.

Desde hace años se han introducido estrategias para cuantificar la irradiación UV eritematica que pueda ser entendible para todos, ya que esta irradiación provoca malestares como cáncer en la piel y afecciones oculares, el  estándar índice se define: 1 UVI corresponde a una irradiancia de 1/40 W/m2 = 25 mW/m2 de radiación UV.B efectiva. La radiación UV.B  debe ser medida al mediodía  y la radiación UV.B efectiva es la suma en cada longitud de onda previamente multiplicada por un factor que cuantifica la sensibilidad de la piel humana a esa longitud de onda.

La dosis eritematica mínima (MED) se define como la dosis de radiación capaz de producir un enrojecimiento apreciable en una persona de piel catalogada como tipo II: 1 MED= 210 J/m2 de irradiancia UV efectiva, para piel tipo III 1MED=350 J/m2 de irradiancia UV efectiva y para piel tipo IV 1MED= 480J/m2 de irradiancia UV efectiva.

Cabe destacar que cada persona presenta sensibilidad diferente y las pieles morenas son más resistentes, hay evidencias de que ciertos cánceres  en la piel se relacionan más con la cantidad de radiación recibida por la piel durante su infancia que la recibida en la vida adulta. Se puede conocer el tipo de piel y tomar las precauciones necesarias para prevenir problemas futuros como usar lentes, usar crema foto protectora, el tipo de ropa, etc.

Los componentes o elementos que afectan la radiación UV son, la absorción del ozono, la dispersión de moléculas y la debida a aerosoles, el ángulo cenital, la nubosidad, la altitud.

Los cuidados que debemos tomar para la protección de la piel es usar sombreros, gafas y cremas con factor solar para evitar contraer insolaciones y cáncer de piel. El espectro de radiación solar se encuentra dividido en sectores, en función de la longitud de onda. El oxígeno y el ozono de nuestra atmosfera realizan una labor de filtración que impide el paso de los rayos cósmicos, gamma y X y las longitudes más cortas de los ultravioleta (UVC). Llegando a nosotros: 49.5% de radiación IR, 44.3% de radiación visible, 6.2% de radiación ultravioleta, 5.9% de UVA largos y cortos y 0.3% de UVB.

Una parte de la radiación solar es capaz de penetrar en las distintas capas de piel, a pesar de la capa cornea y de la melanina, pigmento colorante y protector originando:

Fotobiología, se produce un encuentro entre los fotones y moléculas del tejido cutáneo, las moléculas capaces de absorber fotones se denominan cromoforos.

Daños moleculares, los fotones UV pueden alcanzar el ADN de las células cutáneas y desencadenar varios tipos de alteraciones.

La mayoría de las alteraciones solares pueden ser reparadas por mecanismos fisiológicos complejos, pero a veces son sobrepasados y es necesaria la fotoproteccion externa como son la melanogenesis, hiperqueratosis, protección contra radicales libres.

Los efectos de las radiaciones solares sobre la piel son radiación UVA responsable de la pigmentación inmediata, radiación UVB  estimula la formación de vitamina D y radiación IR originando el enrojecimiento de la piel teniendo efectos inmediatos como la acción calórica y pigmentación inmediata; retardados como eritema solar y engrosamiento de estrato corneo, a largo plazo como envejecimiento actínico y cáncer actínico  y efectos  accidentales como discromías y fotosensibilización.

Una de las formas de prevenir los efectos perjudiciales del sol es la correcta utilización de protectores solares  o fotoprotectores que contienen filtro o protegen de las radiaciones nocivas del sol. El factor de protección solar (FPS) es la relación entre el tiempo necesario para la aparición de un eritema, usando un filtro solar y el tiempo necesario para generar el mismo eritema sin el filtro.

Los filtros solares son sustancias capaces de reflejar o absorber una parte del espectro de la radiación solar y pueden ser físicos y químicos. Dentro de los físicos se encuentran el dióxido de titanio y el óxido de zinc que reflejan la luz UV e IR. Los químicos absorben la luz UV actuando como cromoforos modificándose e impidiendo que las radiaciones afecten a las estructuras cutáneas.

El fotoprotector debe reunir ciertas características como buena penetración y fijación en las capas epidérmicas, resistente al agua y la transpiración, estable a la luz, aire, humedad y calor, ausencia de toxicidad, etc. También debe poseer la capacidad hidratante para compensar las pérdidas de agua por la acción de la radiación IR y por el efecto de radicales libres sobre el colágeno, lípidos epidérmicos y fibroblastos dérmicos.

Existen sustancias que promueven la producción de melanina como la tirosina y los psoralenos (componente de esencia de cítrico) que son activadores del bronceado.

Las zonas corporales que más deben cuidarse son la cara, nariz, pómulos, mucosa labial, ojos, manos y en el cuerpo en el que se emplean leches y FPS. Los cuidados deben mantenerse según el tipo de piel que puede ser grasa con gran cantidad de glándulas sebáceas, piel seca que es poco flexible y fina con tendencia a arrugas, mixta por presentar tendencia seborreica y seca y la normal que presenta equilibrio hídrico y lipídico normal.

Se recomienda tomar precauciones antes, durante y después de la exposición solar.

Antes de la exposición debe usar una crema fotoprotectora adecuada y aplicarla 30 minutos antes de la exposición, no usar sustancias con alcohol, etc.

Durante la exposición evitar tomar el sol entre las 12 y 3 de la tarde, usar gafas, evitar la posición en decúbito, ingerir bastante líquido, etc.

Después de la exposición hidratar la piel y cuidar la cara y contorno de los ojos con productos específicos.

Hay ciertos cuidados que deben tomarse si existe algún padecimiento, si se está tomando medicamente, durante el embarazo, tomar mucho líquido y en especial cuidar a los niños debido a las características de su piel a esa edad y tener  cuidados generales para prevenir posibles enfermedades o deterioro en la piel ya que algunos son tratables y otros si no se atienden pueden tener consecuencias irreversibles.

RESUMEN ARTÍCULO CIENTIFICO 8: LA EXPOSICION AL ETANOL DISMINUYE LA PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA MITOCONDRIAL EN HEPATOCITOS DE RATAS DE CULTIVO

El hígado al ser expuesto al etanol tiene respuestas que pueden estar relacionadas con la generación de ATP en la mitocondria, aumento de formación de especies reactivas de oxígeno, la peroxidacion lipídica y supresión de oxidación de ácidos grasos. El etanol produce un estado hipermetabolico caracterizado por un incremento en el metabolismo de alcohol (SIAM) así como un desacoplamiento de la fosforilacion oxidativa en la mitocondria.

El metabolismo mitocondrial depende del movimiento de metabolitos hidrofilicos a través de la membrana externa de la mitocondria mediante el Canal de Aniones Dependientes de Voltaje. (VDAC). El metabolismo mitocondrial requiere el continuo intercambio de sustratos entre el citosol y la matriz mitocondrial, este intercambio es catalizado por intercambiadores específicos localizados en la membrana interna, incluyendo el transportador de nucleótidos de adenina, el transportador de fosfato, el transportador de ácido carboxílico, el transportador de carnitina-acilcarnitina y otros. El intercambio de caso todos los metabolitos solubles en agua entre el citosol y el espacio intermembranal se produce principalmente por el VDAC de la membrana externa mitocondrial.

Los cambios de permeabilidad de VDAC podría ser importantes en la regulación global del metabolismo mitocondrial.se sabe que la exposición al etanol causa problemas en la fosforilacion oxidativa de los hepatocitos y se cree que el cierre de VDAC puede suprimir la generación de ATP mitocondrial así como la oxidación de ácidos grasos. Se hicieron estudios para probar esta hipótesis y mostrar que  los cambios bioquímicos en la permeabilidad de la mitocondria de los hepatocitos en ratas que son expuestas a una dosis única de etanol están relacionados con la disminución de permeabilidad de VDAC así como la permeabilidad de los metabolitos hidrofilicos de la membrana externa.

Los hepatocitos en estudio se aislaron y permeabilizaron con digitonina y midieron captaciones de tripano azul, liberación de enzimas y actividad respiratoria para también medir la oxidación del NADH con lactato deshidrogenasa  y reducción de NADP+ por adenilato quinasa (AK).

La digitonina es un detergente no iónico que forma poros en el colesterol de las membranas y se utilizó para permeabilizar el plasma de las membranas mitocondriales en hepatocitos de ratas. El tamaño de los poros de la membrana plasmática inducida por digitonina aumenta progresivamente con la concentración.

Los resultados indican que el etanol disminuyo la actividad  mitocondrial un 35% comparado con los hepatocitos no tratados, lo que indica que el etanol  en hepatocitos disminuye la permeabilidad de la membrana externa.

Para medir la inhibición de VDAC se permeabilizo la membrana con digitonina y se trató con un inhibidor de VDAC; EPC. Los resultados indicaron que hubo disminución en un 56% en comparación con el control y Rhodex entra al espacio intermembranal por VDAC.

Se concluye entonces que el cierre de VDAC afecta el movimiento de metabolitos dentro y fuera de la mitocondria llevando a la supresión global de la actividad mitocondrial, los experimentos demostraron que los hepatocitos expuestos a etanol si provocan un deterioro en la permeabilidad de la membrana externa.

RESUMEN ARTICULO CIENTIFICO 7. FOTOSINTESIS

FOTOSINTESIS

La tierra recibe aproximadamente 10-9de la energía irradiada por el sol debido a la distancia, pero solo parte llega a la biosfera ya que el resto es absorbido o se refleja.

La distribución del espectro solar en la biosfera comprende un 51% de radiación infrarroja, un 40% visible y un 9% ultravioleta, el 83% de esa radiación solar cae dentro de los márgenes de la fotobiología con un máximo hacia 575nm.

Existen 2 tipos de fotosíntesis, una llamada oxigenica que la llevan a cabo las plantas, algas y cianobacterias donde el agente reductor es el agua y otra la anoxigenica que es realizada por bacterias donde varios compuestos ya sean orgánicos e inorgánicos actúan como donadores de electrones según la especie.

La fotosíntesis se inicia con la captación de la luz por los pigmentos fotosintéticos accesorios y su conversión en energía electrónica por los pigmentos clorofílicos de los centros de reacción, esta energía es transformada en energía química que es almacenada como tal, en la siguiente etapa la energía almacenada se utiliza para la reducción del dióxido de carbono y así la síntesis de carbohidratos.

La unidad fotosintética básica está constituida por moléculas de clorofilas y otros pigmentos que actúan como antenas y por clorofila a especializada. Estos pigmentos se encuentran organizados en las membranas biológicas que en las algas verdes y purpureas se disponen en estructuras como clorosomas y cromatóforos, en organismos que realizan la oxigenica estos pigmentos están en los tilacoides.

Se encuentran tres tipos de complejos en la clorofila, uno es el complejo colector de luz, donde se integran la mayoría de las antenas de clorofila y pigmentos accesorios, los otros son los fotosistemas I y II donde tiene lugar estrictamente la fotosíntesis.

La molécula de clorofila absorbe un fotón y pasa a un estado excitado de mayor energía, la absorción de la energía azul excita a un nivel superior que el alcanzado con la luz roja. La clorofila es muy inestable en el estado excitado de mayor energía y rápidamente cede algo de energía al ambiente en forma de calor, luego desciende a un nivel menor de energía donde puede iniciar el proceso fotoquímico mediante reacciones químicas. La clorofila oxidada actúa por su parte como un fuerte agente oxidante que capta un electrón del donador.

En las plantas superiores actúan dos fotosistemas cada uno con un centro clorofílico de reacción que promueve el salto el salto de un electrón en contra del gradiente a expensas de la energía fotonica, los fotones de luz roja de 700 nm son los de más larga longitud de onda que pueden promover el bombeo de electrones en fotosíntesis. Se necesitan 2 fotones por electrón, es decir 8 fotones para fotolizar 2 moléculas de agua y liberar una molécula de oxígeno, las bacterias fotosintéticas funcionan solo con un fotosistema.

El fotosistema II produce la descomposición del agua en la membrana del tilacoide y la liberación de protones en el lumen del mismo. La plastoquinona reducida y la plastocianina  transfieren electrones al complejo del citocromo y al fotosistema I respectivamente. El fotosistema I reduce el NADP y NADPH en el estroma del cloroplasto mediante la acción de la ferrodoxina y una flavoproteina. Los protones también son transportados al lumen por acción del complejo de citocromos y luego difunden hacia la bomba de protones acoplada a la enzima ATP sintasa que usa el gradiente de energía electroquímica para sintetizar ATP en el estroma del cloroplasto.

La fotosíntesis que realizan las células vegetales produce en la primera fase poder reductor (NADPH) y energía química de enlace de fosfato (ATP), los que se utilizan en la segunda etapa para reducir el dióxido de carbono. La ruta de asimilación del dióxido de carbono se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto en plantas y algas y en el citoplasma de organismos procariotas se conoce como ciclo de Calvin y comprende 3 fases.

Estas tres fases del ciclo reductivo de las pentosa-fosfato o ciclo de Calvin conducen a la formación neta de una molécula de gliceraldehido-3-fosfato a partir de tres moléculas de dióxido de carbono, para lo cual se requiere el  aporte de un total de seis moléculas de NADPH y nueve de ATP.

Algunas especies como el maíz, la caña de azúcar y otras gramíneas originarias de climas cálidos utilizan la ruta auxiliar C3 + C1= C4 en la que el dióxido de carbono se incorpora al fosfoenol  piruvato para dar oxaloacetato, un compuesto de 4 carbonos que se reduce a malato o aspartato según la especie, este pasa de las células del mesofilo a las de la vaina del haz vascular donde se descarboxila y libera el dióxido de carbono previamente fijado.

En las plantas CAM la difusión de CO2 hacia los tejidos es nocturna, el primer compuesto producido tiene 4 átomos de carbono y a la luz del día siguiente, ocurre la segunda etapa de tres reacciones fotosintéticas que precisa la enzima rubisCO.