TEORÍA QUIMIOSMÓTICA
Peter Mitchell propuso la "hipótesis quimiosmótica en 1961.La teoría sugiere esencialmente que la mayor parte de la síntesis de ATP en la respiración celular, viene de un gradiente electroquímico existente entre la membrana interna y el espacio intermembrana de la mitocondria, mediante el uso de la energía de NADH y FADH2 que se han formado por la ruptura de moléculas ricas en energía, como la glucosa.
Las moléculas como la glucosa, son metabolizadas para producir Acetil-CoA como un intermediario rico en energía. La oxidación de Acetil-CoA en la matriz mitocondrial está acoplada a la reducción de una molécula transportadora como NAD+ y FAD.
Los transportadores traspasan electrones a la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna, que luego los traspasan a otras proteínas en la cadena transportadora. La energía disponible en los electrones se usa para bombear protones desde la matriz, a través de la membrana mitocondrial interna, guardando energía en forma de un gradiente electroquímico transmembrana. Los protones se devuelven a través de la membrana interna, mediante la enzima ATP-sintasa. El flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial mediante la ATP-sintasa, provee de suficiente energía para que el ADP se combine con Fósforo inorgánico para formar ATP. Los electrones y protones en la última bomba proteica de la cadena transportadora son llevados al Oxígeno (O2) para formar Agua (H2O).
Ésta fue una propuesta radical en su tiempo, y no fue bien aceptada. La visión que prevalecía era que la energía de la transferencia electrónica se almacenaba es un intermediario estable de alta energía, un concepto mas conservativo del punto de vista químico. EL problema de éste viejo paradigma fue que nunca se encontró aquel intermediario, y la evidencia del bombeo de protones por los complejos de la Cadena de Transporte de electrones creció de forma tal, que no pudo ser ignorada. Eventualmente, el peso de la evidencia comenzó a favorecer la hipótesis quimiosmótica, y en 1978, el Premio Nobel de química fue entregado a Peter Mitchell.
El acoplamiento quimiosmótico es importante en la producción de ATP en el cloroplasto y muchos tipos de bacteria.
POTENCIAL ELECTROQUÍMICO DEL PROTÓN
El potencial electroquímico es importante en la química electroanalítica y en la industria, en la cual tiene diversas aplicaciones (baterías, pilas de combustible…). Constituye una de las muchas maneras de intercambio de energía potencial en las cuales la energía se conserva.
En los procesos biológicos, la dirección de los movimientos iónicos realizados por difusión o transporte activo a través de una membrana está determinada por el gradiente electroquímico. En las mitocondrias y los cloroplastos, los gradientes de protones se utilizan para generar un potencial quimiosmótico (que es también conocido como fuerza motriz protónica). Esta energía potencial es utilizada para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CADENA RESPIRATORIA
La cadena respiratoria recibe ese nombre porque consiste en un complicado sistema de moléculas que toman átomos de hidrógeno y electrones de diferentes sustancias que las células obtienen de la degradación de los materiales con los que se nutren. A través de los componentes de la cadena respiratoria, estos hidrógenos y electrones viajan hacia el oxígeno, con el cual se combinan al final. En cierta forma, este proceso puede verse como la manera en la que las células llevan a cabo la combinación del oxígeno con el hidrógeno para formar agua, y es realmente lo que constituye la respiración celular. Pero en el proceso se puede obtener una cantidad muy grande de energía derivada, en términos muy sencillos, de la gran tendencia que tiene el hidrógeno para unirse con el oxígeno, que todos conocemos.
La cadena respiratoria se realiza precisamente en las membranas de las mitocondrias de las células, o en la membrana externa de las bacterias. Cuando los átomos de hidrógeno o en algunas partes de la cadena, los electrones que provienen de ellos viajan hacia el oxígeno, liberan una cantidad de energía, que en lugar de disiparse, se utiliza para mover hidrogeniones (H+) de un lado al otro de las membranas.
Este transporte de H+ (hidrogeniones) representa en gran medida la forma de "atrapar" o convertir la energía derivada de la tendencia natural de los electrones a llegar al oxígeno, en otra forma de energía, la diferencia de concentración de los H+ en ambos lados de la membrana. La tendencia natural de los hidrogeniones que se han concentrado de un lado de la membrana representa una nueva forma de energía, que luego puede ser aprovechada para mover a otras sustancias, como se verá más adelante.
Dentro del grupo de acarreadores directamente ligados a las fuentes de energía, hay uno que tiene un interés muy especial: la bacteriorrodopsina. Ésta es una molécula que existe en algunas bacterias y es capaz de generar el movimiento de H+ de un lado a otro de la membrana, creando también una diferencia de concentración de esta especie química, pero para ello basta que se le ilumine; es decir, puede aprovechar directamente la energía luminosa para mover y producir diferencias de las concentraciones de los H+.
La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la translocación de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado. De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes:
• Un flujo de electrones desde sustancias individuales.
• Un uso de la energía desprendida de ese flujo de electrones que se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente, por lo que energéticamente estamos hablando de un proceso desfavorable.
• Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de vista energético
FOSFORILACION OXIDATIVA
La fosforilación oxidativa es una ruta metabólica que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato (ATP). Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran variedad de nutrientes, casi todas realizan la fosforilación oxidativa para producir ATP, la molécula que provee de energía al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua, debido a que es una forma altamente eficaz de liberación de energía, en comparación con los procesos alternativos de fermentación, como la glucólisis anaeróbica.
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donante de electrones a un aceptor de electrones, como el oxígeno, a través de reacciones redox. Estas reacciones liberan energía, la cual es utilizada para producir ATP. En eucariotas, estas reacciones redox son llevadas a cabo en las mitocondrias por una serie de complejos de proteínas, mientras que en los procariotas, estas proteínas se encuentran ubicadas en la membrana interna de la célula. Estos grupos relacionados de enzimas son llamados cadena de transporte de electrones. En eucariotas, están involucrados cinco complejos de proteínas, mientras que en procariotas se presentan muchas enzimas diferentes, utilizando una variedad de donantes y aceptores de electrones.
La energía liberada por estos electrones desplazándose a través de la cadena de transporte de electrones es utilizada para transportar protones a través de la membrana interna mitocondrial, en un proceso llamado quimiosmosis. Esto genera energía potencial bajo la forma de un gradiente de pH y un potencial eléctrico a través de la membrana. El almacenamiento de energía es aprovechado permitiendo que los protones fluyan de regreso a la membrana a favor del gradiente, a través de la enzima ATP sintasa. La enzima utiliza esta energía para generar ATP desde el adenosín difosfato (ADP), en una reacción de fosforilación. Esta reacción es llevada a cabo por el flujo de protones, que provoca la rotación de una parte de la enzima.
Aunque la fosforilación oxidativa es una parte vital del metabolismo, produce especies reactivas del oxígeno tales como superóxido y peróxido de hidrógeno, lo que lleva a la propagación de radicales libres, provocando daño celular, contribuyendo a enfermedades y, posiblemente, al envejecimiento. Las enzimas que llevan a cabo esta ruta metabólica son blanco de muchas drogas y productos tóxicos que inhiben su actividad.
SINTESIS DE ATP
En las mitocondrias se produce la síntesis de ATP gracias a procesos de cesión y captación de electrones acoplados a la creación de un gradiente de protones.
El gradiente de protones se acopla a la síntesis de ATP gracias a la enzima ATP sintasa.
La ATP sintasa se puede observar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de sintesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo. [1] Mediante experimentos in vitro se ha demostrado que la ATP sintasa actúa de forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adición de un ácido débil (por ejemplo ácido acético) a una suspensión de mitocondrias aisladas es suficiente para inducir la biosíntesis de ATP in Vitro.
Haga clic en el siguiente link para ver animaciones de la sintesis de ATP!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/metabolismo/atpmito.htm
INHIBIDORES Y DESACOPLANTES
Desacopladotes son otras moléculas inhiben la síntesis de ATP desacoplandola de la cadena de transporte electrónico, y aunque no haya síntesis la cadena sigue funcionando. Un desacoplador deshace el gradiente de H+ sin parar la cadena. El más común es el 2,4-dinitrofenol que es soluble en la membrana y su grupo oh se puede disociar. Esto libera energía en forma de calor. Tanto el ATP como el ADP necesitan un transportador para salir y entrar de la matriz mitocondrial y este transporte está favorecido por el gradiente de H+. En la membrana interna de la mitocondria hay un transportador que a la vez que saca atp mete ADP + Pi y esto está dirigido por el potencial de membrana. Los Pi entran gracias a un transportador que se mueve por un gradiente de concentración. Este transportador cotransporta H+ y Pi y aprovecha la energía del gradiente para a la vez que se introduce H+ introducir Pi. Los desacopladores pueden ser fuente de calor para aumentar la temperatura de la célula. Esto es utilizado por neonatos y animales que hibernan. A esta proteína desacopladores se le llama termogenina.
En pocas palabras, son aquellos compuestos que actúan inhibiendo la relación que existe entre la cadena respiratoria y el complejo ATPasico. Estos compuestos transportan protones o iones desde el espacio intermembranico a la matriz mitocondrial desviándolos de su ruta normal hacia el complejo ATPasico .de acuerdo a su mecanismo de acción pueden ser desacoplantes o ionoforos. Actúan inhibiendo el gradiente electroquímico en general, su efecto inmediato es una reducción del gradiente electroquímico, una inhibición de la síntesis de ATP y un aumento del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria; es decir bloquean la síntesis de ATP permitiendo que la respiración continúe ya que transportan los protones nuevamente hacia la matriz mitocondrial , evitando el canal protónica de f0 .
Inhibidores de la respiración:
Este tipo de inhibidores reciben este nombre porque su principal función es el inhibir el transporte de electrones en la cadena de la respiración. Los inhibidores del transporte de electrones más comúnmente usados pueden reunirse en tres grupos principales según el sitio de la cadena respiratoria donde actúan:
1. Sobre la NADH-deshidrogenasa, bloqueando la transferencia de electrones entre la flavina y la ubiquinona. (Inhibidores del sitio I)
o Barbitúricos, como el amobarbital
o Piericidina A (antibiótico)
o Rotenona (insecticida)
2. Actúa bloqueando la transferencia de electrones entre el citocromo b y el citocromo c1. (inhibidores de sitio II)
o [Antimicina]
3. Actúan sobre el Hemo a3 de la citocromooxidasa impidiendo su interacción con el oxígeno (inhibidores de sitio III)
o Cianuro
o Monóxido de carbono
o H2S
Inhibidores de la fosforilacion:
Actúan en el complejo enzimático (ATPasa) que cataliza la síntesis de ATP, bloquean el paso en el cual el ADP se une al fosfato impidiendo que la energía del potencial electroquímico llegue al sistema fosforilante.
• Oligomicina
• Atractilósido (inhibe el transportador que introduce ADP a la mitocondria)
MEDICION DEL CONSUMO DE OXÍGENO
Consumo de Oxígeno (VO2), en fisiología, corresponde al volumen de oxígeno que el cuerpo consume, que se relaciona al metabolismo de la persona en determinadas condiciones fisiológicas (reposo o ejercicio). Es un valor complejo que varía con el sexo, la edad y la superficie corporal, además que varía en cuadros donde se afecta la actividad metabólica. (Ej; hipertiroidismo, sepsis, etc). El valor normal en reposo es 3.5 mL/Kg/min.
El volumen máximo de oxígeno, conocido como VO2 máx, es el máximo transporte de oxígeno que nuestro organismo puede transportar en un minuto
¿Para que sirve?
Es la manera más eficáz de medir la capacidad aeróbica de un individuo, Cuanto mayor sea el VO2 max, mayor será capacidad cardiovascular de esta.
¿ Cómo se mide?
Se mide en ml/kg/min, pero si lo multiplicamos por nuestro peso corporal, el resultado se expresará en litros.
Ej Una persona se toma el test y obtiene 51.01 ml/kg/min y si multiplica por su peso 60 kg obtendrá 3060.6 mililitros que equivalen a 3.06 litros de consumo de oxígeno por minuto
Lo más común es que veamos expresado el VO2 max de una persona en litros. Los atletas, corredores de maraton son los que registran los niveles más altos de VO2 max, algunos de ellos alcanzan los 6 litros cuando una persona normal tiene unos 2 litros
¿Cómo se calcula?
Para calcularlo la medicina utiliza la espirometría un estudio que mide el consumo de oxígeno, Los entrenadores utilizan tests indirectos (test de campo no de laboratorio) tal vez el más famoso fue el que nos legó el Dr Cooper, el test lleva su nombre test de Cooper es muy simple de medir, solo se tienen que correr sin parar intentando cubrir la mayor distancia posible en 12 minutos (cabe destacar que hay que tener una mínima condición física para realizar este esfuerzo, es conveniente consultar a un médico antes)
VO2 max = (Distancia Recorrida - 504) / 45
Calcular VO2 max online
Ej Isabel quiere averiguar su aptitud física, entonces corre durante 12 minutos sin parar la mayor distancia posible y aplica la fórmula
VO2 max = (1500 mts - 504) / 45
VO2 max = 22,133 ml/kg/min
Como peso 60 kilos debe multiplicar 22,133*60
VO2 max= 1327 ml = 1,327 litros de consumo de oxígeno
Cabe mencionar que si dos personas tienen el mismo consumo de oxígeno, mejor condición física tendrá la que pese más, puesto que debe trasladar mayor peso corporal
22,133 ml/kg/min * 60 = 1327 ml = 1,327 litros
22.133 ml/kg/min * 90 = 1991,97 ml = 1,991 litros
GENOMA MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES RELACIONADAS
El Genoma mitocondrial, también llamado ADN mitocondrial, es el material genético de las mitocondrias, los orgánulos que generan energía para la célula. El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariota se divide. El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass utilizando microscopia electronica y un marcador sensitivo al ADN mitocondrial. Evolutivamente el ADN mitocondrial y el ADN nuclear descienden de genomas circulares pertenecientes a bacterias, que fueron englobadas por un antiguo ancestro de las células eucarióticas.
La estructura del genoma mitocondrial es circular como es el del genoma bacteriano. Se trata de una molécula circular de ADN, helicoidal, con doble hebra, y supercondensada. Se conocen también algunos pocos casos de genomas mitocondriales de forma lineal. En muchos casos, el contenido de GC (guanina-citosina) del ADNmt difiere en gran medida del ADN nuclear, y esto permite separar el ADNmt del nuclear por centrifugación en un l gradiente de cloruro de cesio. No existen histonas u otras proteínas semejantes asociadas al ADNmt. Existen muchas copias del genoma mitocondrial en cada mitocondria, las que se ubican en ciertas regiones llamadas nucleoides. En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad porque las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras. Esto hace que una hebra sea más "pesada" y otra más "liviana" en el ADNmt.
El contenido de genes de genomas mitocondriales de distintas especies es bastante similar tanto en número como en cantidad de funciones distintas. Sin embargo, el tamaño varía enormemente entre distintos organismos.
Las enfermedades mitocondriales, también conocidas como encefalomiopatías mitocondriales o afecciones de fosforilación oxidativa, son un grupo heterogéneo de alteraciones, caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes presentan encefalopatía y lesiones musculares, además de que pueden dañarse otros órganos como hígado, riñones, corazón, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas.
Las mitocondriopatías asociadas a defectos de genes mitocondriales muestran gran variedad de fenotipos y se han descrito más de 70 mutaciones relacionadas con estas afecciones. 10 Su clasificación se basa en las características moleculares y genéticas de las mutaciones y se dividen en 2 grupos: 1, 10
• Enfermedades asociadas con mutaciones puntuales.
• Enfermedades atribuibles a reorganizaciones del ADNmt por inserciones o deleciones, o ambas.
Enfermedades asociadas con mutaciones puntuales
A) Síndrome MERRF (epilepsia mioclónica y fibras rojas rasgadas): Se caracteriza por epilepsia mioclónica, debilidad proximal, ataxia, sordera y demencia. El inicio puede ser a cualquier edad y hacerlo con otras manifestaciones, tales como: neuropatía periférica, degeneración corticoespinal, atrofia óptica, disfunción multiorgánica con miopatía, disfunción tubular renal proximal, cardiomiopatía y aumento del ácido láctico. Se debe a una mutación en el ADNmt (entre 80-90 % de los casos experimenta un cambio A-G en la posición 8344; y un pequeño número, T-C, en la posición 8356). 24, 25
B) Síndrome MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios parecidos a un accidente vascular encefálico): Además de la tríada que le da nombre, puede haber migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción tubular renal proximal y miopatía. Su inicio ocurre a cualquier edad. Se asocia con la mutación A-G en el ARNt , en la posición 3243 en 80 % de los casos descritos, aunque se han notificado otras mutaciones.26, 27
C) Síndrome NARP: Se presenta con neuropatía, ataxia y retinosis pigmentaria, sin fibras rojas rasgadas en la biopsia del músculo. Se asocia a una mutación en el ADNmt , con transición heteroplástica T-G en la posición 8993. 10, 28
D) Neuropatía óptica hereditaria de Leber: Puede limitarse a una atrofia óptica bilateral subaguda o estar asociada a otras manifestaciones, con distonía. Se inicia entre los 12 y 30 años, predominantemente en varones. La mutación más comúnmente informada es A-G en la posición 11778 en el gen ND4, seguida de G-A en el gen ND1, posición 3460. 10, 29
Enfermedades atribuibles a reorganizaciones del ADNmt por inserciones o deleciones, o ambas:
Se caracterizan por una deleción larga o, más raramente, por una duplicación de 1,3 a 7,6 kb. Estas mutaciones, esporádicas y heteroblásticas, se asocian a enfermedades como: 1, 28
- Síndrome de Kearns-Sayre y síndromes de oftalmoplejía externa progresiva crónica (CPEO): Tienen una triada clásica, cuya presencia hace sospechar una mutación del ADNmt : ptosis, oftalmoplejía y miopatía con fibras rojas rasgadas. Estas manifestaciones clínicas permiten clasificar a los pacientes en 3 grupos, de acuerdo con la edad de inicio y la gravedad del cuadro:
a) Síndrome de Kearns-Sayre: Forma más grave, que comienza antes de los 20 años con oftalmoplejía externa, retinosis pigmentaria, alteraciones cardíacas (cardiomiopatías o defectos de la conducción), diabetes mellitas, sordera, ataxia cerebelosa y proteínas en el líquido cefalorraquídeo por encima de 1 g/L.
b) Síndrome de Pearson: Comienza más temprana y gravemente en la infancia con anemia, leucopenia, trombocitopenia y disfunción pancreática exocrina; puede estar asociado o no con manifestaciones multisistémicas. Los niños que sobreviven a esta enfermedad, evolucionan hacia el síndrome de Kearns-Sayre. 1, 29
c) Oftalmoplejía crónica progresiva externa (CPEO): Se inicia en la juventud, su gravedad es intermedia y se caracteriza por ptosis bilateral, oftalmoplejía, debilidad e intolerancia al ejercicio. Su forma dominante está asociada con mutaciones del ADN nuclear y múltiples deleciones del ADNmt en el músculo o con mutaciones en el ARNt. 2
Las enfermedades mitocondriales presentan gran heterogeneidad genética y clínica, lo cual impone conocer sus posibles manifestaciones y las alteraciones metabólicas que se les asocian, para poderlas diagnosticar tempranamente. Requieren, por tanto, ser tratadas por un equipo multidisciplinario para lograr una mejor calidad de vida de los pacientes.
BIBLIOGRAFÍA
http://74.125.155.132/search?q=cache:nlsuS4eBJCMJ:webs.uvigo.es/mmegias/5-celulas/6-mitocondrias.php+s%C3%ADntesis+de+ATP&cd=17&hl=es&ct=clnk&gl=mx&client=firefox-a
http://74.125.155.132/search?q=cache:6eVG_QE4bEsJ:wapedia.mobi/es/ATP-sintasa+s%C3%ADntesis+de+ATP&cd=18&hl=es&ct=clnk&gl=mx&client=firefox-a
http://74.125.155.132/search?q=cache:7QXJPVbLz78J:www.cienciahoy.org.ar/hoy27/atp.htm+s%C3%ADntesis+de+ATP&cd=2&hl=es&ct=clnk&gl=mx&client=firefox-a
http://74.125.155.132/search?q=cache:32cSE6ZmXVsJ:html.rincondelvago.com/cadenas-respiratorias_celula.html+inhibidores+ATP&cd=6&hl=es&ct=clnk&gl=mx&client=firefox-a
Peter Mitchell propuso la "hipótesis quimiosmótica en 1961.La teoría sugiere esencialmente que la mayor parte de la síntesis de ATP en la respiración celular, viene de un gradiente electroquímico existente entre la membrana interna y el espacio intermembrana de la mitocondria, mediante el uso de la energía de NADH y FADH2 que se han formado por la ruptura de moléculas ricas en energía, como la glucosa.
Las moléculas como la glucosa, son metabolizadas para producir Acetil-CoA como un intermediario rico en energía. La oxidación de Acetil-CoA en la matriz mitocondrial está acoplada a la reducción de una molécula transportadora como NAD+ y FAD.
Los transportadores traspasan electrones a la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna, que luego los traspasan a otras proteínas en la cadena transportadora. La energía disponible en los electrones se usa para bombear protones desde la matriz, a través de la membrana mitocondrial interna, guardando energía en forma de un gradiente electroquímico transmembrana. Los protones se devuelven a través de la membrana interna, mediante la enzima ATP-sintasa. El flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial mediante la ATP-sintasa, provee de suficiente energía para que el ADP se combine con Fósforo inorgánico para formar ATP. Los electrones y protones en la última bomba proteica de la cadena transportadora son llevados al Oxígeno (O2) para formar Agua (H2O).
Ésta fue una propuesta radical en su tiempo, y no fue bien aceptada. La visión que prevalecía era que la energía de la transferencia electrónica se almacenaba es un intermediario estable de alta energía, un concepto mas conservativo del punto de vista químico. EL problema de éste viejo paradigma fue que nunca se encontró aquel intermediario, y la evidencia del bombeo de protones por los complejos de la Cadena de Transporte de electrones creció de forma tal, que no pudo ser ignorada. Eventualmente, el peso de la evidencia comenzó a favorecer la hipótesis quimiosmótica, y en 1978, el Premio Nobel de química fue entregado a Peter Mitchell.
El acoplamiento quimiosmótico es importante en la producción de ATP en el cloroplasto y muchos tipos de bacteria.
POTENCIAL ELECTROQUÍMICO DEL PROTÓN
El potencial electroquímico es importante en la química electroanalítica y en la industria, en la cual tiene diversas aplicaciones (baterías, pilas de combustible…). Constituye una de las muchas maneras de intercambio de energía potencial en las cuales la energía se conserva.
En los procesos biológicos, la dirección de los movimientos iónicos realizados por difusión o transporte activo a través de una membrana está determinada por el gradiente electroquímico. En las mitocondrias y los cloroplastos, los gradientes de protones se utilizan para generar un potencial quimiosmótico (que es también conocido como fuerza motriz protónica). Esta energía potencial es utilizada para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CADENA RESPIRATORIA
La cadena respiratoria recibe ese nombre porque consiste en un complicado sistema de moléculas que toman átomos de hidrógeno y electrones de diferentes sustancias que las células obtienen de la degradación de los materiales con los que se nutren. A través de los componentes de la cadena respiratoria, estos hidrógenos y electrones viajan hacia el oxígeno, con el cual se combinan al final. En cierta forma, este proceso puede verse como la manera en la que las células llevan a cabo la combinación del oxígeno con el hidrógeno para formar agua, y es realmente lo que constituye la respiración celular. Pero en el proceso se puede obtener una cantidad muy grande de energía derivada, en términos muy sencillos, de la gran tendencia que tiene el hidrógeno para unirse con el oxígeno, que todos conocemos.
La cadena respiratoria se realiza precisamente en las membranas de las mitocondrias de las células, o en la membrana externa de las bacterias. Cuando los átomos de hidrógeno o en algunas partes de la cadena, los electrones que provienen de ellos viajan hacia el oxígeno, liberan una cantidad de energía, que en lugar de disiparse, se utiliza para mover hidrogeniones (H+) de un lado al otro de las membranas.
Este transporte de H+ (hidrogeniones) representa en gran medida la forma de "atrapar" o convertir la energía derivada de la tendencia natural de los electrones a llegar al oxígeno, en otra forma de energía, la diferencia de concentración de los H+ en ambos lados de la membrana. La tendencia natural de los hidrogeniones que se han concentrado de un lado de la membrana representa una nueva forma de energía, que luego puede ser aprovechada para mover a otras sustancias, como se verá más adelante.
Dentro del grupo de acarreadores directamente ligados a las fuentes de energía, hay uno que tiene un interés muy especial: la bacteriorrodopsina. Ésta es una molécula que existe en algunas bacterias y es capaz de generar el movimiento de H+ de un lado a otro de la membrana, creando también una diferencia de concentración de esta especie química, pero para ello basta que se le ilumine; es decir, puede aprovechar directamente la energía luminosa para mover y producir diferencias de las concentraciones de los H+.
La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la translocación de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado. De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes:
• Un flujo de electrones desde sustancias individuales.
• Un uso de la energía desprendida de ese flujo de electrones que se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente, por lo que energéticamente estamos hablando de un proceso desfavorable.
• Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de vista energético
FOSFORILACION OXIDATIVA
La fosforilación oxidativa es una ruta metabólica que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato (ATP). Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran variedad de nutrientes, casi todas realizan la fosforilación oxidativa para producir ATP, la molécula que provee de energía al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua, debido a que es una forma altamente eficaz de liberación de energía, en comparación con los procesos alternativos de fermentación, como la glucólisis anaeróbica.
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donante de electrones a un aceptor de electrones, como el oxígeno, a través de reacciones redox. Estas reacciones liberan energía, la cual es utilizada para producir ATP. En eucariotas, estas reacciones redox son llevadas a cabo en las mitocondrias por una serie de complejos de proteínas, mientras que en los procariotas, estas proteínas se encuentran ubicadas en la membrana interna de la célula. Estos grupos relacionados de enzimas son llamados cadena de transporte de electrones. En eucariotas, están involucrados cinco complejos de proteínas, mientras que en procariotas se presentan muchas enzimas diferentes, utilizando una variedad de donantes y aceptores de electrones.
La energía liberada por estos electrones desplazándose a través de la cadena de transporte de electrones es utilizada para transportar protones a través de la membrana interna mitocondrial, en un proceso llamado quimiosmosis. Esto genera energía potencial bajo la forma de un gradiente de pH y un potencial eléctrico a través de la membrana. El almacenamiento de energía es aprovechado permitiendo que los protones fluyan de regreso a la membrana a favor del gradiente, a través de la enzima ATP sintasa. La enzima utiliza esta energía para generar ATP desde el adenosín difosfato (ADP), en una reacción de fosforilación. Esta reacción es llevada a cabo por el flujo de protones, que provoca la rotación de una parte de la enzima.
Aunque la fosforilación oxidativa es una parte vital del metabolismo, produce especies reactivas del oxígeno tales como superóxido y peróxido de hidrógeno, lo que lleva a la propagación de radicales libres, provocando daño celular, contribuyendo a enfermedades y, posiblemente, al envejecimiento. Las enzimas que llevan a cabo esta ruta metabólica son blanco de muchas drogas y productos tóxicos que inhiben su actividad.
SINTESIS DE ATP
En las mitocondrias se produce la síntesis de ATP gracias a procesos de cesión y captación de electrones acoplados a la creación de un gradiente de protones.
El gradiente de protones se acopla a la síntesis de ATP gracias a la enzima ATP sintasa.
La ATP sintasa se puede observar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de sintesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo. [1] Mediante experimentos in vitro se ha demostrado que la ATP sintasa actúa de forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adición de un ácido débil (por ejemplo ácido acético) a una suspensión de mitocondrias aisladas es suficiente para inducir la biosíntesis de ATP in Vitro.
Haga clic en el siguiente link para ver animaciones de la sintesis de ATP!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/metabolismo/atpmito.htmINHIBIDORES Y DESACOPLANTES
Desacopladotes son otras moléculas inhiben la síntesis de ATP desacoplandola de la cadena de transporte electrónico, y aunque no haya síntesis la cadena sigue funcionando. Un desacoplador deshace el gradiente de H+ sin parar la cadena. El más común es el 2,4-dinitrofenol que es soluble en la membrana y su grupo oh se puede disociar. Esto libera energía en forma de calor. Tanto el ATP como el ADP necesitan un transportador para salir y entrar de la matriz mitocondrial y este transporte está favorecido por el gradiente de H+. En la membrana interna de la mitocondria hay un transportador que a la vez que saca atp mete ADP + Pi y esto está dirigido por el potencial de membrana. Los Pi entran gracias a un transportador que se mueve por un gradiente de concentración. Este transportador cotransporta H+ y Pi y aprovecha la energía del gradiente para a la vez que se introduce H+ introducir Pi. Los desacopladores pueden ser fuente de calor para aumentar la temperatura de la célula. Esto es utilizado por neonatos y animales que hibernan. A esta proteína desacopladores se le llama termogenina.
En pocas palabras, son aquellos compuestos que actúan inhibiendo la relación que existe entre la cadena respiratoria y el complejo ATPasico. Estos compuestos transportan protones o iones desde el espacio intermembranico a la matriz mitocondrial desviándolos de su ruta normal hacia el complejo ATPasico .de acuerdo a su mecanismo de acción pueden ser desacoplantes o ionoforos. Actúan inhibiendo el gradiente electroquímico en general, su efecto inmediato es una reducción del gradiente electroquímico, una inhibición de la síntesis de ATP y un aumento del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria; es decir bloquean la síntesis de ATP permitiendo que la respiración continúe ya que transportan los protones nuevamente hacia la matriz mitocondrial , evitando el canal protónica de f0 .
Inhibidores de la respiración:
Este tipo de inhibidores reciben este nombre porque su principal función es el inhibir el transporte de electrones en la cadena de la respiración. Los inhibidores del transporte de electrones más comúnmente usados pueden reunirse en tres grupos principales según el sitio de la cadena respiratoria donde actúan:
1. Sobre la NADH-deshidrogenasa, bloqueando la transferencia de electrones entre la flavina y la ubiquinona. (Inhibidores del sitio I)
o Barbitúricos, como el amobarbital
o Piericidina A (antibiótico)
o Rotenona (insecticida)
2. Actúa bloqueando la transferencia de electrones entre el citocromo b y el citocromo c1. (inhibidores de sitio II)
o [Antimicina]
3. Actúan sobre el Hemo a3 de la citocromooxidasa impidiendo su interacción con el oxígeno (inhibidores de sitio III)
o Cianuro
o Monóxido de carbono
o H2S
Inhibidores de la fosforilacion:
Actúan en el complejo enzimático (ATPasa) que cataliza la síntesis de ATP, bloquean el paso en el cual el ADP se une al fosfato impidiendo que la energía del potencial electroquímico llegue al sistema fosforilante.
• Oligomicina
• Atractilósido (inhibe el transportador que introduce ADP a la mitocondria)
MEDICION DEL CONSUMO DE OXÍGENO
Consumo de Oxígeno (VO2), en fisiología, corresponde al volumen de oxígeno que el cuerpo consume, que se relaciona al metabolismo de la persona en determinadas condiciones fisiológicas (reposo o ejercicio). Es un valor complejo que varía con el sexo, la edad y la superficie corporal, además que varía en cuadros donde se afecta la actividad metabólica. (Ej; hipertiroidismo, sepsis, etc). El valor normal en reposo es 3.5 mL/Kg/min.
El volumen máximo de oxígeno, conocido como VO2 máx, es el máximo transporte de oxígeno que nuestro organismo puede transportar en un minuto
¿Para que sirve?
Es la manera más eficáz de medir la capacidad aeróbica de un individuo, Cuanto mayor sea el VO2 max, mayor será capacidad cardiovascular de esta.
¿ Cómo se mide?
Se mide en ml/kg/min, pero si lo multiplicamos por nuestro peso corporal, el resultado se expresará en litros.
Ej Una persona se toma el test y obtiene 51.01 ml/kg/min y si multiplica por su peso 60 kg obtendrá 3060.6 mililitros que equivalen a 3.06 litros de consumo de oxígeno por minuto
Lo más común es que veamos expresado el VO2 max de una persona en litros. Los atletas, corredores de maraton son los que registran los niveles más altos de VO2 max, algunos de ellos alcanzan los 6 litros cuando una persona normal tiene unos 2 litros
¿Cómo se calcula?
Para calcularlo la medicina utiliza la espirometría un estudio que mide el consumo de oxígeno, Los entrenadores utilizan tests indirectos (test de campo no de laboratorio) tal vez el más famoso fue el que nos legó el Dr Cooper, el test lleva su nombre test de Cooper es muy simple de medir, solo se tienen que correr sin parar intentando cubrir la mayor distancia posible en 12 minutos (cabe destacar que hay que tener una mínima condición física para realizar este esfuerzo, es conveniente consultar a un médico antes)
VO2 max = (Distancia Recorrida - 504) / 45
Calcular VO2 max online
Ej Isabel quiere averiguar su aptitud física, entonces corre durante 12 minutos sin parar la mayor distancia posible y aplica la fórmula
VO2 max = (1500 mts - 504) / 45
VO2 max = 22,133 ml/kg/min
Como peso 60 kilos debe multiplicar 22,133*60
VO2 max= 1327 ml = 1,327 litros de consumo de oxígeno
Cabe mencionar que si dos personas tienen el mismo consumo de oxígeno, mejor condición física tendrá la que pese más, puesto que debe trasladar mayor peso corporal
22,133 ml/kg/min * 60 = 1327 ml = 1,327 litros
22.133 ml/kg/min * 90 = 1991,97 ml = 1,991 litros
GENOMA MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES RELACIONADAS
El Genoma mitocondrial, también llamado ADN mitocondrial, es el material genético de las mitocondrias, los orgánulos que generan energía para la célula. El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariota se divide. El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass utilizando microscopia electronica y un marcador sensitivo al ADN mitocondrial. Evolutivamente el ADN mitocondrial y el ADN nuclear descienden de genomas circulares pertenecientes a bacterias, que fueron englobadas por un antiguo ancestro de las células eucarióticas.
La estructura del genoma mitocondrial es circular como es el del genoma bacteriano. Se trata de una molécula circular de ADN, helicoidal, con doble hebra, y supercondensada. Se conocen también algunos pocos casos de genomas mitocondriales de forma lineal. En muchos casos, el contenido de GC (guanina-citosina) del ADNmt difiere en gran medida del ADN nuclear, y esto permite separar el ADNmt del nuclear por centrifugación en un l gradiente de cloruro de cesio. No existen histonas u otras proteínas semejantes asociadas al ADNmt. Existen muchas copias del genoma mitocondrial en cada mitocondria, las que se ubican en ciertas regiones llamadas nucleoides. En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad porque las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras. Esto hace que una hebra sea más "pesada" y otra más "liviana" en el ADNmt.
El contenido de genes de genomas mitocondriales de distintas especies es bastante similar tanto en número como en cantidad de funciones distintas. Sin embargo, el tamaño varía enormemente entre distintos organismos.
Las enfermedades mitocondriales, también conocidas como encefalomiopatías mitocondriales o afecciones de fosforilación oxidativa, son un grupo heterogéneo de alteraciones, caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes presentan encefalopatía y lesiones musculares, además de que pueden dañarse otros órganos como hígado, riñones, corazón, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas.
Las mitocondriopatías asociadas a defectos de genes mitocondriales muestran gran variedad de fenotipos y se han descrito más de 70 mutaciones relacionadas con estas afecciones. 10 Su clasificación se basa en las características moleculares y genéticas de las mutaciones y se dividen en 2 grupos: 1, 10
• Enfermedades asociadas con mutaciones puntuales.
• Enfermedades atribuibles a reorganizaciones del ADNmt por inserciones o deleciones, o ambas.
Enfermedades asociadas con mutaciones puntuales
A) Síndrome MERRF (epilepsia mioclónica y fibras rojas rasgadas): Se caracteriza por epilepsia mioclónica, debilidad proximal, ataxia, sordera y demencia. El inicio puede ser a cualquier edad y hacerlo con otras manifestaciones, tales como: neuropatía periférica, degeneración corticoespinal, atrofia óptica, disfunción multiorgánica con miopatía, disfunción tubular renal proximal, cardiomiopatía y aumento del ácido láctico. Se debe a una mutación en el ADNmt (entre 80-90 % de los casos experimenta un cambio A-G en la posición 8344; y un pequeño número, T-C, en la posición 8356). 24, 25
B) Síndrome MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios parecidos a un accidente vascular encefálico): Además de la tríada que le da nombre, puede haber migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción tubular renal proximal y miopatía. Su inicio ocurre a cualquier edad. Se asocia con la mutación A-G en el ARNt , en la posición 3243 en 80 % de los casos descritos, aunque se han notificado otras mutaciones.26, 27
C) Síndrome NARP: Se presenta con neuropatía, ataxia y retinosis pigmentaria, sin fibras rojas rasgadas en la biopsia del músculo. Se asocia a una mutación en el ADNmt , con transición heteroplástica T-G en la posición 8993. 10, 28
D) Neuropatía óptica hereditaria de Leber: Puede limitarse a una atrofia óptica bilateral subaguda o estar asociada a otras manifestaciones, con distonía. Se inicia entre los 12 y 30 años, predominantemente en varones. La mutación más comúnmente informada es A-G en la posición 11778 en el gen ND4, seguida de G-A en el gen ND1, posición 3460. 10, 29
Enfermedades atribuibles a reorganizaciones del ADNmt por inserciones o deleciones, o ambas:
Se caracterizan por una deleción larga o, más raramente, por una duplicación de 1,3 a 7,6 kb. Estas mutaciones, esporádicas y heteroblásticas, se asocian a enfermedades como: 1, 28
- Síndrome de Kearns-Sayre y síndromes de oftalmoplejía externa progresiva crónica (CPEO): Tienen una triada clásica, cuya presencia hace sospechar una mutación del ADNmt : ptosis, oftalmoplejía y miopatía con fibras rojas rasgadas. Estas manifestaciones clínicas permiten clasificar a los pacientes en 3 grupos, de acuerdo con la edad de inicio y la gravedad del cuadro:
a) Síndrome de Kearns-Sayre: Forma más grave, que comienza antes de los 20 años con oftalmoplejía externa, retinosis pigmentaria, alteraciones cardíacas (cardiomiopatías o defectos de la conducción), diabetes mellitas, sordera, ataxia cerebelosa y proteínas en el líquido cefalorraquídeo por encima de 1 g/L.
b) Síndrome de Pearson: Comienza más temprana y gravemente en la infancia con anemia, leucopenia, trombocitopenia y disfunción pancreática exocrina; puede estar asociado o no con manifestaciones multisistémicas. Los niños que sobreviven a esta enfermedad, evolucionan hacia el síndrome de Kearns-Sayre. 1, 29
c) Oftalmoplejía crónica progresiva externa (CPEO): Se inicia en la juventud, su gravedad es intermedia y se caracteriza por ptosis bilateral, oftalmoplejía, debilidad e intolerancia al ejercicio. Su forma dominante está asociada con mutaciones del ADN nuclear y múltiples deleciones del ADNmt en el músculo o con mutaciones en el ARNt. 2
Las enfermedades mitocondriales presentan gran heterogeneidad genética y clínica, lo cual impone conocer sus posibles manifestaciones y las alteraciones metabólicas que se les asocian, para poderlas diagnosticar tempranamente. Requieren, por tanto, ser tratadas por un equipo multidisciplinario para lograr una mejor calidad de vida de los pacientes.
BIBLIOGRAFÍA
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