TEMA 3. BIOENERGETICA MITOCONDRIAL

TEMA 3. BIOENERGETICA MITOCONDRIAL

3.1 Hipótesis quimiosmótica y Potencial electroquímico de protón

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.

Hipótesis Quimiosmótica (Peter Mitchell, 1961). A medida que los electrones fluyen por la CTE, a ciertas etapas los protones (H⁺) son transferidos desde el interior al exterior de la membrana. Esto construye un gradiente de protones , dado que las cargas + son retiradas del interior mientras que las -, permanecen en el interior (en gran parte como iones OH^- ), el pH en la cara externa de la membrana puede llegar a un pH 5,5, mientras que el pH justo en la cara interna de la misma puede llegar a 8,5 ---> la diferencia es de 3 unidades de pH , recuerde que el pH es igual a - log. de [H] y por lo tanto 3 unidades de pH significan una diferencia de concentración de H⁺ estimada en 1000 x entre ambas caras de la membrana. 
Y esto representa energía potencial acumulada como: Gradiente de protones= fuerza móvil de protones ("protonmotive force"), y dado que la membrana es básicamente impermeable a los protones, por lo tanto el gradiente no se desarma por una constante re-entrada de los mismos, y teniendo en cuenta que la ATP sintetasa complejo proteico (conocido también como "lollipops", complejo F1, ATPasa mitocondrial) contiene el único canal para la entrada del protón, por lo tanto a medida que los protones pasan por el canal, se produce la siguiente reacción:

ADP + P_i ---> ATP.

Este proceso puede llamarse: fosforilación quimiosmótica (asumiendo que la hipótesis quimiosmótica sea la correcta), o fosforilación oxidativa (sin asumir respecto al mecanismo).

Los Protones (indicados por +) entran nuevamente en la matriz mitocondrial a través de los canales que forma el complejo enzimático de la ATP sintetasa. Esta entrada se acopla a la síntesis de ATP a partir de ADP y Fosfato (Pi)

El esquema en la parte superior muestra una mitocondria. En la animación, se observa como los iones H+ se acumulan en el compartimiento mitocondrial externo (espacio intermembrana). En la imagen inferior, se esquematiza lo que le sucede el hidrógeno cedido por el NADH a la cadena de transporte: los electrones son transferidos a lo largo de las proteinas de la cadena, y el protón al espacio intermembrana,donde genera un gradiente. Los protones re-entran pasando por el complejo ATP-sintetasa, generando ATP.
Puntos claves:

1.      Los protones son transferidos a través de la membrana, desde la matriz al espacio intermembrana, como resultado del transporte de electrones que se originan cuando el NADH cede un hidrógeno. La continuada producción de esos protones crea un gradiente de protones.

1.      La ATP sintetasa es un gran complejo proteico con canales para protones que permiten la re-entrada de los mismos.

2.      La síntesis de ATP se produce como resultado de la corriente de protones fluyendo a través de la membrana:
ADP + Pi ---> ATP

                     3.2 Estructura y función de la cadena respiratoria

En esta etapa se oxidan las coenzimas reducidas, el NADH se convierte en NAD+ y el FADH2 en FAD+. Al producirse esta reacción, los átomos de hidrógeno (o electrones equivalentes), son conducidos a través de la cadena respiratoria por un grupo de transportadores de electrones, llamados citocromos. Los citocromos experimentan sucesivas oxidaciones y reducciones (reacciones en las cuales los electrones son transferidos de un dador de electrones a un aceptor).

En consecuencia, en esta etapa final de la respiración, estos electrones de alto nivel energético descienden paso a paso hasta el bajo nivel energético del oxígeno (último aceptor de la cadena), formándose de esta manera agua.

Cabe aclarar que los tres primeros aceptores reciben el H+ y el electrón conjuntamente. En cambio, a partir del cuarto aceptor, sólo se transportan electrones, y los H+ quedan en solución.

Funciones

1. Se encarga de transportar electrones. Los electrones se transportan desde moléculas poco oxidantes hasta el oxígeno que es la molécula más oxidante de la cadena. Las moléculas que inician este transporte de electrones son NADH Y FADH, es decir son las moléculas menos oxidantes de la cadena. Una vez que los electrones son entregados al oxígeno, se forma Agua.
2. 2. Debido a que la cadena sólo transporta electrones, los protones son bombeados hacia fuera de la mitocondria, lo que crea un gradiente de protones con una carga muy positiva afuera de la mitocondria y una carga muy negativa adentro. Este gradiente obliga a los protones a volver a entrar a la mitocondria y en el paso hacia adentro pasan por una enzima que forma un túnel de protones llamada ATP sintasa que con la fuerza de entrada de los protones, forma ATP.

Balance energético.

La respiración aerobia produce 36 ATP por una molécula de glucosa, sumando los ATP de la glucólisis más los del ciclo de Krebs más los de la Cadena respiratoria.

3.3 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:

ADP + Pi                                                      ®                               síntesis del ATP

fosforilación del ADP

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.

H. Krebs encontró el ciclo de los ácidos tricarboxílicos  en el cual el piruvato se transforma en  Ac-CoA que a su vez interviene en la  reducción de NAD+  y en la posterior generación del succinato.

Como ha sucedido muchas veces a los largo de la historia de la investigación científica, dos investigadores reportaron simultáneamente un evento bioquímico. En 1937, Kalkar en Dinamarca y Belitzer en la antigua URSS, encontraron una correlación muy interesante entre la desaparición del Pi y la respiración. Estudiaron el efecto de la adición de Pi (HPO₃⁴) a homogenados de tejidos de mamíferos; el experimento lo realizaron en presencia y ausencia de 0₂ o en presencia de cianuro (CN-). Reportaron que a medida que se consumía el 0₂ el Pi desaparecía del medio de reacción y que cuando agregaban a un inhibidor del consumo de 0₂, CN- e este caso, el proceso no se llevaba a cabo. Posteriormente se verificó que la síntesis de ATP es una reacción endergonica, en la cual la respiración o consumo de 0₂ acopladas a la fosforilación del ADP, genera energía.

En los seres vivos la oxidación de moléculas orgánicas tiene como resultado el movimiento de protones (H+) del interior de la matriz mitocondrial al espacio intermembranal en mitocondrias y cloroplastos o bien al citoplasma en las bacterias. La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. Las observaciones de la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en buscaba un intermediario fosforilado de la reación. Hasta que en 1961 Peter Mitchell propuso la hipótesis quimiosmótica en la cual propuso que el intermediario energético necesario para la formación del ATP (o fosforilación del ADP), era una diferencia en la concentración de protones a través de la membrana. Gracias a estas observaciones Mitchell recibió en premio Nobel de Química en 1978. Murió al final de la década de los 80´s.

3.4 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 F_o e interferir en el transporte de H⁺ a través de F_o, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.
Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por F_o al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de F_o 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.

Son compuestos liposolubles y ácidos débiles. Las formas disociadas presentan carga negativa altamente deslocalizada, de modo que el campo eléctrico de los aniones es muy débil, ello permite que difundan libremente a través de un medio no polar como las membranas fosfolipídicas. Este comportamiento no es usual, la gran mayoría de iones con carga son excluidos de un ambiente no polar.

La forma protonada, sin carga eléctrica de estos compuestos, pasa a través de la membrana interna mitocondrial intacta, descargando así el gradiente de pH. En la matriz, a pH más bajo, el ácido débil se disocia, la forma disociada pasa la membrana interna, destruyendo el potencial de membrana. Este proceso se puede repetir, de modo que una pequeña cantidad del agente desacoplante puede catalizar el paso de una cantidad enorme de protones y hacer un corto circuito en la cadena respiratoria.

En resumen, permitiendo el paso de protones a través de la membrana, se disipa el gradiente de protones, no hay bombeo de protones a través de la ATP-sintasa con producción de ATP.

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.

La producción de ATP aeróbica es más eficiente que la producción anaeróbica.

En 1861, Louis Pasteur observó que en levadura expuesta a condiciones aeróbicas, el consumo de glucosa y la producción de etanol decae precipitadamente (Efecto Pasteur).

Glicólisis anaeróbica:

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2P_i è 2 lactato + 2H⁺ + 2ATP

Metabolismo aeróbico de la glucosa:

C₆H₁₂O₆ + 38ADP + 38P_i 6 O₂ è 6 CO₂ + 44H₂0 + 38ATP

El metabolismo aeróbico es más eficiente que la glicólisis anaeróbica en lo que se refiere a producción de ATP.

Sin embargo, como la concentración de enzimas de la glicólisis es alta, de modo que si no están inhibidas, el ATP puede producirse más rápido que a través de la fosforilación oxidativa.

Por otra parte, el cálculo tradicional de 36 ATP o de 38 ATP, según funcione la lanzadera del glicerofosfato o del malato respectivamente, es obsoleto. Mediciones recientes estiman 30 ATP por glucosa totalmente metabolizada.

3.5 Medición del consumo de oxígeno

PROCESOS AEROBICOS

C₆ H₁₂ O₆ + O₂ = H₂0 + CO₂ + Energía

(Glucosa + Oxígeno = Agua + Anhídrido Carbónico + Movimiento y Calor)

Este es un esquema simplificado de las numerosas reacciones que ocurren en el organismo para liberar energía durante el trabajo muscular. Sin embargo, destacan dos aspectos que son fundamentales cuando un trabajador está realizando trabajos físicos pesados. Primero, el "combustible" para el trabajo muscular son los alimentos y estos deben ingerirse en cantidad suficiente y con una distribución adecuada. Segundo, se necesita oxígeno para transformar la energía química contenida en los alimentos en energía mecánica y calórica. El aporte de oxígeno depende de la capacidad de los sistemas respiratorio y cardiovascular, para tomar este elemento desde el aire ambiente y transportarlo hasta los músculos en trabajo.

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.

ELECTRODO DE OXÍGENO:

El electrodo de oxígeno comprende un cátodo de platino central (B) unido a una resina y un ánodo de plata (C) concéntrico unido por un puente electrolítico y conectados al módulo control. La cámara del electrodo es preparada por aplicación de un espaciador de papel muy fino y una fina membrana de poli-tetra-flúor-etileno (P.T.F.E.) que es cuidadosamente fijada a la placa base donde se encuentran los electrodos por un anillo-O. En la presencia de oxígeno una pequeña corriente fluye a través de los electrodos que es proporcional a la concentración de oxígeno en la muestra. Esta señal es digitalizada por la unidad de control y presentada directamente en el PC.
Estos electrodos pueden ser acondicionados para medidas en fase líquida o en fase gaseosa. Todas las unidades del electrodo deben mantenerse a temperatura constante durante las determinaciones. Este efecto se consigue por circulación de agua a la temperatura deseada alrededor de la cámara y controlando la temperatura de los componentes de la muestra. Este control es importante por dos razones:
1º.- El electrodo es sensible a la temperatura
2º.- El contenido en oxígeno de las muestras acuosas saturadas de aire cambia con la temperatura.
Durante la medida, el electrodo consume una pequeña proporción del oxígeno disponible. Para evitar registrar un declive en la señal debido a este artefacto, las muestras deben estar continuamente en agitación de forma que la capa de líquido, situada encima del disco del electrodo, sea constantemente repuesta en oxígeno.

3.6 Genoma mitocondrial y enfermedades relacionadas

El genoma mitocondrial es una molécula de ADN circular que contiene 16.569 pares de bases y codifica 13 proteínas, 2 ARN ribosomal (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt). El código genético que utiliza es degenerado, es decir, ciertos codones en la mitocondria corresponden a aminoácidos diferentes de los utilizados por el genoma nuclear. Sin embargo, depende de muchas proteínas nucleares para poder replicarse y, a su vez, muchas proteínas presentes en las mitocondrias son codificadas por el genoma nuclear.

Las enfermedades mitocondriales son resultado de la falla de las mitocondrias, las cuales son las principales responsables de la creación de la energía del cuerpo necesaria para mantener la vida y apoyar el crecimiento, cuando fallan se genera cada vez menos energía en el interior de la célula, puede entonces presentar lesión celular o incluso la muerte de la célula, así como atrofias o distrofias musculares.

Las mitocondrias son organelas pequeñas, aproximadamente del tamaño de una bacteria, que se encuentran presentes en el citoplasma de las células eucariotas, y cuya función principal es la producción de la mayor parte de la energía celular en forma de ATP. Las etapas finales de esta generación de energía se producen mediante el sistema de fosforilación oxidativa, formado por cinco complejos multienzimáticos localizados en la membrana interna mitocondrial y cuyas subunidades proteicas están codificadas en los dos sistemas genéticos celulares, el nuclear y el mitocondrial. La alteración de la síntesis de ATP puede dar lugar a una serie de trastornos que se conocen genéricamente como enfermedades mitocondriales. Las enfermedades de las mitocondrias parecen ocasionar el mayor daño a las células del cerebro, corazón, hígado, músculo esquelético, riñón, así como sistemas endocrino y respiratorio.
Defectos del metabolismo Mitocondrial

El descubrimiento hace bastante tiempo de la existencia de un genoma mitocondrial abrió un nuevo campo en la patología. La mitocondria es al organela celular donde se obtiene la mayor cantidad de ATP en procesos de oxidación de los distintos substratos: lípidos, acetil coenzima A (proveniente de la decarboxilación oxidativa del piruvato). Hay fosforilación a nivel de substrato en el ciclo de Krebs, pero la vía principal es el acoplamiento de la reoxidación de cofactores vitamínicos reducidos a la síntesis de ATP en la cadena de transporte de electrones. La oxidación de los ácidos grasos a Acetil coenzima A ocurre exclusivamente en la mitocondria. Se sabe desde hace mucho que en algunas enfermedades musculares hay acumulación de material lipídico en las fibras musculares de los pacientes afectados. Actualmente se considera que esto responde a la deficiencia del transporte de residuos de ácidos grasos por baja disponibilidad de carnitina o por fallas en las palmitoil transferasas I o II, aunque no se ha descartado la posibilidad que haya otras enfermedades con acumulos lipídicos que tengan una causa distinta a la deficiencia del sistema de transporte de lípidos al interior de la mitocondria. También se han descrito deficiencias del transporte de los otros substratos para la oxidación mitocondrial, como el ingreso de ácido pirúvico (monocarboxilato translocasa) o su utilización (piruvato deshidrogenasa, piruvato carboxilasa). La beta oxidación de los ácidos grasos también puede estar alterada.

Defectos en la cadena respiratoria

La cadena respiratoria está constituida por al menos 67 péptidos, y entre 11 y 13 de ellos son codificados por el ADN mitocondrial (ADNmt). La mitocondria tiene sistemas de traducción y transcripción propios, pero la gran mayoría de los constituyentes de la cadena respiratoria se sintetizan fuera de la mitocondria y deben ser incorporados a ella por sistemas de transporte complejos. La transmisión de las alteraciones se ve complicada por la posibilidad de herencia maternal, no mendeliana de ADNmt, y por la alta velocidad de replicación y mutación del cromosoma mitocondrial. De un modo muy general, la cadena respiratoria consta de 4 complejos, de los cuales hay dos dispuestos en paralelo (complejos I y II) y dos en serie, tanto entre sí como con los complejos I y II (complejos III y IV). Desde un punto de vista estrictamente fisiopatológico, existen 4 mecanismos posibles de daño:

1. Alteración del grupo prostético (en la enfermedad de Menke hay una concentración de cobre muy disminuida, y la actividad de la citocromo c oxidasa está muy bajo lo normal en el cerebro y posiblemente otros tejidos)

2. Alteración de la traducción - transcripción del ADNmt (aunque no se han descrito patologías por esta causa, la herencia maternal en algunas encefalomiopatías hace sospechar su existencia)

3. Alteración de la traducción-transcripción de ADN nuclear.

4. Alteración del procesamiento post traslacional de las subunidades proteicas (las deficiencias de: sistemas de acoplamiento de los precursores de las subunidades proteicas con receptores de la membrana celular externa, la traslocación de este complejo, el ensamblaje de las subunidades en la membrana mitocondrial interna, conducirían a deficiencia enzimática).

A continuación se describen las patologías más conocidas de los distintos complejos de la cadena de transporte de electrones. En algunos pacientes en estudio se han encontrado enfermedades donde el cuadro era predominantemente muscular, con intolerancia al ejercicio y debilidad. El comienzo era en la infancia o inicios de la adolescencia. Otros casos correspondían a una encefalomiopatía, con enfermedades tales como:
a) Demencia: Enfermedad del Sistema Nervioso Central que se caracteriza por la aparición de múltiples síntomas o síndromes debido a la pérdida de las funciones superiores del Sistema Nervioso Central, aparecen síntomas tales como: alteraciones en la memoria inmediata y retrógrada, orientación, lenguaje, escritura, cálculo, alteración del pensamiento, capacidad de ejecución). Este déficit está determinado bien por la disfunción neuronal, o por la muerte de estás neuronas. Esta enfermedad o pérdida global de funciones tiene un curso progresivo e interfiere en las actividades de la persona, así como en su relación social y laboral.

b) Atrofia óptica: La atrofia del nervio óptico es una incapacidad permanente de la vista causada por daños al nervio óptico. La atrofia puede variar desde parcial, cuando algunos de los axones en la fibra nerviosa se encuentran dañados, hasta profunda, cuando lo están la mayoría. Puede afectar a un ojo o a los dos y también puede ser progresiva, dependiendo de la causa. Las áreas del ojo más vulnerables son las correspondientes a la zona central de la retina, la zona responsable de los detalles y el color (mácula).

c) Miopatía mitocondrial: es decir enfermedades del músculo mitocondrial, infantil fatal familiar, con compromiso muscular y hepático. El componente mitocondrial alterado es la citocromo c oxidasa, con ausencia de los citocromos a3 y b. Un primo de las afectadas mostró también deficiencia mitocondrial hepática. La miopatía mitocondrial infantil benigna parece corresponder a una deficiencia transitoria de la citocromo c oxidasa.

d) En la enfermedad de Menkes (tricopoliodistrofia) se encuentra un desorden recesivo ligado al cromosoma X, que se caracteriza por crisis de comienzo temprano en la infancia, regresión del desarrollo, anormalidades del pelo, arterias tortuosas, huesos frágiles, hipopigmentación (defectos oculares) e inestabilidad de la temperatura. Los afectados fallecen antes de los tres años de edad. Los hallazgos bioquímicos incluyen niveles plasmáticos deprimidos de cobre y ceruloplasmina, que se han atribuido a un transporte intestinal deficiente de cobre. Algunos síntomas podrían corresponder a deficiencias secundarias de las cuproenzimas, tales como la citocromo c oxidasa.

e) Se ha informado de pacientes con oftalmoplegia externa progresiva y miopatía mitocondrial, que presentan ausencia total de citocromo c oxidasa a la unión de anticuerpos específicos.

f) La encefalomiopatía necrotizante sub aguda o enfermedad de Leigh se caracteriza por anormalidades respiratorias, grito débil, dificultades para alimentarse, visión y audición defectuosas, ataxia (inhabilidad de controlar voluntariamente los movimientos musculares, degeneración del cerebelo y otras partes del sistema nervioso), debilidad, deterioro intelectual y crisis convulsivas. El comienzo es en la infancia temprana, aunque algunos afectados se desarrollan normalmente por algunos meses, la muerte ocurre a los pocos años de edad. La autopsia revela lesiones simétricas bilaterales focales desde el tálamo al puente, que comprometen las olivas inferiores y las columnas posteriores de la médula espinal.

g) En la enfermedad de Alper (poliodistrofia progresiva esclerosante) también se ha descrito deficiencia de la citocromo c oxidasa. Hay evidencia de patologías que comprometen múltiples citocromos, y que aparecen ligadas al cromosoma X. Así, un caso de miopatía mitocondrial, con cardiopatía y neutropenia cursaba con defectos de los citocromos c1, c, b y aa3.

Es pertinente comentar que las patologías mitocondriales con compromiso predominante de la cadena de transporte de electrones, que afectan el músculo tanto como al sistema nervioso central.

Para comprender cuáles son las causas de trastornos asociados don defectos en la mitocondria, primero debemos comprender que es lo que ocurre en el interior de la mitocondria.

Enfermedades Asociadas con mutaciones en el ADN Mitocondrial

Como las proteínas componentes de los complejos multienzimáticos de la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa están codificadas tanto en el ADN nuclear como en el mitocondrial, estas enfermedades pueden estar causadas por mutaciones en los genes de ambos sistemas genéticos. Sin embargo, habitualmente se conoce con el nombre de enfermedades mitocondriales a los daños producidos en el ADNmt, que presentan un tipo de herencia materna. Las manifestaciones clínicas de estas enfermedades son muy variadas, entre los mas comunes están: demencia, desórdenes motores, intolerancia al ejercicio, accidentes cerebro-vasculares, convulsiones, oftalmoplegia, retinopatía pigmentaria (severa disminución de la agudeza visual y en muchas ocasiones conlleva a la ceguera, esta enfermedad es causada por la degradación de la retina), atrofia óptica, ceguera, sordera, cardiomiopatía, disfunciones hepáticas y pancreáticas, diabetes, falta de crecimiento, anemia sideroblástica, pseudo obstrucción intestinal, nefropatías (movilidad anormal del riñón), estatura corta, acidosis metabólica y otros más secundarios.

En general, son trastornos multisistémicos que afectan fundamentalmente a los tejidos y órganos que mas dependen de la energía mitocondrial (sistema nervioso central, músculo cardiaco y esquelético, riñones y sistema endocrino). Sin embargo, al estar las mitocondrias presentes en todos los tejidos, otros muchos órganos pueden estar implicados en estos síndromes tan heterogéneos. De hecho, una de las pistas que conduce a la sospecha de enfermedad mitocondrial es la implicación de muchos órganos diferentes. Otros caracteres morfológicos y bioquímicos que suelen estar asociados a enfermedades mitocondriales son la presencia de fibras rojo-rasgadas (acumulación de mitocondrias anormales en tamaño y número) en biopsias musculares teñidas con tricromo de Gomori, la presencia de fibras no reactivas a la tinción histoquímica de la citocromo c oxidasa, y defectos en uno o varios complejos de la cadena respiratoria. Sin embargo, algunas enfermedades claramente mitocondriales no presentan estos caracteres tan típicos de los trastornos mitocondriales, especialmente en pacientes en edad pediatrica. Dada la variedad de las manifestaciones clínicas, morfológicas y bioquímicas presentes en las enfermedades mitocondriales, su clasificación se basa en las características moleculares y genéticas de las mutaciones.

Esquema de la organización del genoma mitocondrial

Así, las enfermedades mitocondriales se pueden dividir en dos grandes grupos: Enfermedades asociadas a mutaciones puntuales y enfermedades debidas a reorganizaciones del ADNmt. A continuación se hace una relación de las enfermedades comunes asociadas a estos tipos de mutaciones.

Neuropatía óptica hereditaria de Leber.

La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) fue la primera enfermedad humana heredada por vía materna que se asoció con una mutación en el ADNmt. Está caracterizada por una ceguera bilateral aguda o subaguda, originada por atrofia del nervio óptico, que aparece en la segunda o tercera década de la vida y que afecta más a hombres que a mujeres. Normalmente, los pacientes solo tienen afectada la visión, pero en algunos casos puede ir acompañada de anormalidades en la conducción cardiaca, ataxia cerebelar, neuropatía periférica que puede ser:

* Sensorial: pérdida de protección
* Motora: pérdida del tono muscular, atrofia, deformidades.
* Autonómica: ausencia de suduración = fisuras.

Son muchas las mutaciones puntuales que se han asociado con esta enfermedad, pero solamente 3 de ellas, las localizadas en los nucleótidos 11.778, 3.460 y 14.484. Todas estas mutaciones están localizadas en genes estructurales.La mayor predominancia de la enfermedad en hombres sugiere que puede existir alguna influencia de un gene nuclear situado en el cromosoma X, y de hecho, se han encontrado muchas de estás enfermedades en la población filandesa.

Síndrome de neuropatía, ataxia y retinitiopatía pigmentaria (NARP).

Este síndrome, caracterizado por una debilidad muscular, retraso en el desarrollo, neuropatía sensorial (pérdida de protección), convulsiones, ataxia, demencia y retinopatía pigmentaria (severa disminución de la agudeza visual) y se ha asociado a un cambio Timina Guanina en el nucleótido 8.993 de la subunidad 6 de la ATPasa.

Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)

El síndrome de Leigh es una enfermedad muy variada con trastornos degenerativos en muchas partes del organismo, que aparece en el primer año de vida. Es una enfermedad muy devastadora que se caracteriza por disfunciones del tallo cerebral y de los ganglios basales, desmielinización, regresión psicomotora, retraso en el desarrollo, convulsiones, ataxia, neuropatía periférica. La presencia de lesiones necróticas cerebrales focales en el tálamo, tallo cerebral y núcleo dentado confirman el diagnóstico. Es producida por la mutación Timina Guanina en el nucleótido 8.993, pero con un porcentaje de la mutación por encima del 90%. Formas menos severas de esta enfermedad se han asociado con un cambio en la misma posición del ADNmt. Asimismo, se ha descrito por primera vez una mutación en el gene nuclear de la subunidad flavoproteica de la succinato deshidrogenasa del complejo II que causa un defecto en la cadena respiratoria mitocondrial. Esta mutación produce un cambio Citosina Timina en el nucleótido 1684. Este síndrome puede estar causado también por mutaciones en otros genes nucleares que codifican subunidades de la piruvato deshidrogenasa.

Síndrome de encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica y episodios de accidentes cerebro-vasculares (MELAS).

Este síndrome se ha asociado en el 90% de los casos con una mutación (Adenina Guanina) en la posición 3.243 del genoma mitocondrial. MELAS está caracterizado fundamentalmente por accidentes cerebro-vasculares que provocan una disfunción cerebral subaguda y cambios en la estructura cerebral, acidosis láctica y/o presencia de fibras rojo-rasgadas. Estos caracteres pueden ir acompañados también de encefalomiopatía (trastorno del encéfalo, encargado de la regulación, coordinación y control de todos los procesos orgánicos y de la dirección de las relaciones con el mundo exterior) con convulsiones generalizadas, dolor de cabeza, sordera y demencia. La mutación principal, en la posición 3.243, se ha relacionado también con otras enfermedades muy distintas como oftalmoplegia progresiva externa, cardiomiopatías e incluso con diabetes y sordera, por lo que la relación genotipo-fenotipo no es muy fija.

Síndrome de epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas (MERRF)

MERRF es un síndrome de herencia materna caracterizado por epilepsia, debilidad muscular, ataxia, convulsiones generalizadas y miopatía mitocondrial con presencia de fibras rojo-rasgadas. Otros síntomas menos comunes son demencia, sordera, neuropatía, atrofia óptica, fallo respiratorio y cardiomiopatía. Puede aparecer tanto en la infancia como en edad adulta y es de curso progresivo. El 80-90% de los casos de MERRF están asociados con la presencia de una mutación Adenina Guanina en la posición 8.344 del gen del ARN de la mitocondria. Recientemente, se ha demostrado utilizando híbridos transmitocondriales (células r0 repobladas con mitocondrias con la mutación 8.344) que la mutación produce una disminución de la síntesis de proteínas mitocondriales.

Otras enfermedades asociadas a mutaciones puntuales en el ADNmt.

Además de las mutaciones puntuales descritas anteriormente, se ha encontrado un buen número de mutaciones puntuales asociadas a otros muchos síndromes. Entre ellos, la diabetes de herencia materna con sordera que afecta a 15% de la población diabética, las cardiomiopatías de herencia materna; LHON y distonía , la sordera de herencia materna; anemia; deficiencia fatal de la cadena respiratoria infantil, entre otras. Se está estudiando el papel que puede jugar el daño en el ADNmt en enfermedades neurodegenerativas como Parkinson y Alzheimer. Asimismo, se está investigando la posible relación de la inefabilidad masculina con daños en el ADNmt debido a la dependencia que tienen las reacciones de movilidad de los espermatozoides de la función de la cadena respiratoria.

Enfermedades asociadas a reorganizaciones del ADNmt

Algunos pacientes con enfermedades que afectan al sistema de fosforilación oxidativa presentan mutaciones originadas por reorganizaciones del ADNmt. Este tipo de mutaciones, al contrario que las mutaciones puntuales, suelen ser espontáneas aunque hay descrito algún caso de herencia materna. Hasta el momento se han descrito varios cientos de reorganizaciones del ADNmt. Son heteroplásmicas y pueden aumentar la gravedad con la edad. Se han descrito una amplia variedad de síndromes clínicos, algunos de los cuales se describen a continuación.

Síndromes de oftalmoplegia externa progresiva (PEO).
La oftalmoplegia externa progresiva crónica está caracterizada por oftalmoplegia, caída de los párpados y enfermedades musculares. Además, suele ir acompañada de intolerancia al ejercicio y debilidad muscular. En general, es una enfermedad benigna que suele aparecer en la adolescencia o en adultos jóvenes. Aparece de forma esporádica sin historia familiar.

Síndrome de Kearns-Sayre.

El síndrome de Kearns-Sayre es una enfermedad multisistémica progresiva que aparece antes de los 20 años de edad y que está caracterizada clínicamente por PEO y retinopatía pigmentaria. Además suele ir acompañada de otros síntomas como ataxia, defectos musculares de la mitocondria, bloqueo de la conducción cardiaca, elevados niveles de proteína CSF (fluido cerebro espinal) por encima de 100 mg/dl, sordera y demencia, fallos endocrinos y renales.

Síndrome de Pearson.
El síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson es una enfermedad de los primeros años de vida que afecta al conjunto de fenómenos que conducen a la formación y maduración de los elementos que componen la sangre (hematopoyesis) y a la función pancreática exocrina. Los niños afectados suelen morir antes de los 3 años y los que sobreviven suelen desarrollar mas tarde un fenotipo de Kearns-Sayre. Estos pacientes presentan delecciones grandes únicas del ADNmt, en general son esporádicas aunque se ha descrito algún caso de herencia materna. Estos tres síndromes, PEO, Kearns-Sayre y Pearson, tienen en común el presentar grandes delecciones en el ADNmt que suelen aparecer de forma espontánea. En general son delecciones únicas pero también se han descrito delecciones múltiples. En general, están localizadas en el arco grande comprendido entre los orígenes de replicación e incluyen varios genes del ADNmt. La presencia de estas delecciones se detecta con relativa facilidad, son siempre heteroplásmicas, pueden llegar a constituir un porcentaje muy alto de la población de ADNmt y se encuentran en varios tejidos. Su determinación se hace fundamentalmente en biopsias de músculo pero, si la afectación es muy grave, se pueden llagar a detectar también en sangre. Existen otras muchas enfermedades que están asociadas a la presencia de grandes delecciones en el ADNmt. Entre otras se puede mencionar los fenotipos de diabetes, sordera y atrofia óptica; miopatías en general; el síndrome de encefalomiopatía mitocondrial neurogastrointestinal (MNGIE); diabetes mellitus, diabetes insípida, atrofia óptica y sordera (DIDMOAD). Asimismo, existen síndromes que presentan grandes delecciones en el ADNmt que se trasmiten de forma autosómica dominante o recesiva. Esta forma de herencia sugiere la existencia de genes nucleares que pueden afectar a la estructura del ADNmt.

Alteraciones de la cadena respiratoria mitocondrial
Los defectos de los complejos de la cadena respiratoria mitocondrial tienen una presentación clínica muy variada, que puede presentarse tanto en el neonato como en la edad adulta. El inicio de la síntomatología puede incluso producirse en la embriogénesis ocasionando malformaciones congénitas. La afección de estas enfermedades generalmente es multiorgánica siendo esta una de sus principales características clínicas. Sin embargo, existen una serie de trastornos que deben hacer sospechar una enfermedad mitocondrial. Uno de los más comunes es la oftalmoplejía externa progresiva (OEP) donde los pacientes pueden presentar además trastornos cardíacos, retinitis pigmenteria, sordera, afectación del sistema nervioso central y diabetes. Otros pacientes tienen síntomas que afectan predominantemente al músculo esquelético. Se trata de niños con marcada hipotonía en el periodo neonatal, adolescentes con fatigabilidad muscular, episodios de mioglobinuria o con miopatía. El tercer grupo de pacientes presentan síntomas que afectan fundamentalmente el sistema nervioso central. Se trata de enfermos que sufren un deterioro progresivo de sus funciones superiores con accidentes vasculares cerebrales y acidosis láctica (MELAS) o con epilespsia mioclónica (MERRF). También se han identificado como enfermedades mitocondriales a pacientes con atrofia óptica hereditaria de Leber (LHON). Un signo diagnóstico común para muchos de estos síndromes es la presencia de fibras rojo-rotas en la biopsia muscular (ragged red). Las enfermedades mitocondriales son ocasionadas por alteraciones del ADN nuclear o mitocondrial.

La neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL) es una enfermedad de herencia materna caracterizada por la pérdida de la visión central de manera rápida, indolora y bilateral generalmente en varones jóvenes, debido a una atrofia del nervio óptico. La pérdida de visión puede ocurrir rápidamente o progresar lentamente en varios meses, afectando a menudo solo a un ojo, para acabar siendo bilateral en el plazo aproximadamente de un año. Ocasionalmente se asocian defectos de conducción cardíaca y signos neurológicos. La neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL) es una enfermedad de herencia materna causada por mutaciones puntuales en genes del ADNmt. La primera mutación (11778) fue descrita por Wallace. En la actualidad han sido descritas en la literatura 15 mutaciones del ADNmt asociadas al NOHL

 BILIOGRAFIA

http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiuDsaQ_QrzJa4Aj3A6e52tS34BeSMseyXyX3UctdBjhQNkjdbPLCKy1vLW1QA0FSPjw01ZhI7Vmj20DFN4L__Zsh9TNVjwg9AJKSwAVEOz4u5qEtSQChNbawdFCTga-qe8UJ0-jPzm8dL1/s320/mitoesquema5.GIF&imgrefurl=http://elmundodelabiologa.blogspot.com/2007/12/alteraciones-y-mutaciones-en-la.html&usg=__9cCqPoqpYkt8oLK42v0ypNJVdh4=&h=268&w=320&sz=97&hl=es&start=15&zoom=1&um=1&itbs=1&tbnid=reGKF65LDrmGBM:&tbnh=99&tbnw=118&prev=/images%3Fq%3Denfermedades%2Bmitocondriales%26um%3D1%26hl%3Des%26safe%3Dactive%26biw%3D1003%26bih%3D537%26ie%3DUTF-8%26tbs%3Disch:1&ei=6QKVTY7cKYregQfSwfzFCA

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:dcbOC_-w02sJ:www.ejemplode.com/36-biologia/285-funciones_de_la_cadena_respiratoria.html+estructura+y+funcion+de+cadena+respiratoria&hl=es&gl=mx&strip=1

http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/introduccion%20fosforilacion%20oxidativa.html

http://www.bioquimicaqui11601.ucv.cl/unidades/cte/traselectfofox4fid.html. BIOENERGETICA MITOCONDRIAL



Debido al alto índice de mutación del ADNmt es posible encontrar un gran número de mutaciones puntuales. Sin embargo, la mayor parte de éstas van a ser mutaciones silenciosas que no van a causar ningún tipo de defecto. Para que una mutación pueda ser considerada como patológica se requiere que cumpla los criterios: que se encuentre en familias afectadas de poblaciones étnicas diferentes, que exista una correlación entre el porcentaje de la mutación y el fenotipo, que segregue junto con el fenotipo y que afecte a una base muy conservada evolutivamente. Se han encontrado más de 50 mutaciones puntuales que se localizan en los tres tipos de genes codificados en el ADNmt.

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.