jueves, 24 de junio de 2010

4. BIOENERGÉTICA MITOCONDRIAL

4.1 Hipótesis quimiosmótica y potencial electroquímico de protón


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

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

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

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

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


4.2 Estructura y función de la cadena respiratoria


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



4.3 Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP


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

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

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

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

ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O

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


4.4 Inhibidores y desacoplantes


Inhibidores


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

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


Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa


Nombre

Función

Sitio de Acción

Rotenona

inhibidor del transporte de e

Complejo I

Amital

inhibidor del transporte de e

Complejo I

Antimicina A

inhibidor del transporte de e

Complejo III

Cianuro

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

Monóxido de Carbono

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

Azida

inhibidor del transporte de e

Complejo IV

2,4,-dinitrofenol

Agente desacoplante

Transportador transmembrana de H+

Pentaclorofenol

Agente desacoplante

Transportador transmembrana de H+

Oligomicina

Inhibe la sintasa de ATP

Fracción OSCP de la sintasa de ATP


Desacoplantes de la Fosforilación Oxidativa


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


4.5 Medición y consumo energético


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



Calorimetría indirecta:


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



Monitorización del ritmo cardiaco minuto a minuto


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


Agua doblemente marcada (2H218O)


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


Acelerometría


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


Cuestionarios de actividad física:


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


4.6 Genoma mitocondrial y enfermedades relacionadas


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


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

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

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

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

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

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

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

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

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



REFERENCIAS


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

sábado, 12 de junio de 2010

3. REACCIONES OXIDO-REDOX

3.1 Oxidación y Reducción


Envuelven la ganancia o pérdida de electrones. Las especies pueden ser átomos, moléculas o iones.

–Pierde electrones (se oxida) y es el agente reductor (dona electrones)

–Gana electrones (se reduce) es el agente oxidante. (Acepta electrones)

Las reacciones de oxido-reducción tienen lugar mediante intercambio de electrones:


Zn(s) + 2 H+(ac) → Zn2+(ac) + H2(g)


Oxidación → Zn(s) → Zn2+(ac) + 2 e-


Reducción → 2H+(ac) + 2 e- → + H2(g)


  • La oxidación y la reducción ocurren a la vez, en la misma reacción. No se puede producir una sin la otra.
  • No hay cambio neto de e- en una reacción redox.
  • Los e- aparecen a la derecha de la semi-reacción de oxidación; y a la izquierda en la semi-reacción de reducción.


Números de Oxidación.


El número de oxidación (llamado también estado de oxidación) es un número que se asigna a cada tipo de átomo de un compuesto o ión, o a un elemento, empleando un conjunto de reglas. El número de oxidación representa el número de electrones que ha ganado, o perdido o compartido un elemento.


Reglas para asignar números de oxidación.


1. A cualquier elemento no combinado con un elemento distinto, se le asigna un número de oxidación de cero. Ejemplos: K, Fe, H2 ,O2 .

2. Para un compuesto, la suma de los números de oxidación de todos los átomos es igual a cero.

3. Para un ión poli atómico o radical, la suma de los números de oxidación de todos los átomos es igual a la carga del ión.

4. A todos los iones monoatómicos se les asignan números de oxidación iguales a la carga que poseen sus iones. Ejemplo: El número de oxidación de un K es 1.

5. Cuando hay oxígeno presente en un compuesto o ión, por lo general tiene número de oxidación -2.

Excepto en los peróxidos en los cuales es -1.

6. El hidrógeno tiene por lo común un número de oxidación de 1, excepto en los hidruros metálicos donde el H tiene -1.

7. Los elementos alcalinos (Na, Li, K, Rb, Cs y Fr) tienen número de oxidación 1. Los alcalinoterreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) tienen oxidación 2. Los elementos Ag, Zn, Al tienen un solo número de oxidación que es 1,2 y 3 respectivamente.



3.2 Potencial Redox


Es un valor relativo medido contra el punto 0 del electrodo normal de hidrógeno (Figura 1) u otro electrodo secundario de referencia (ejemplo. Electrodo calomel de HgCl ó Hg2Cl2 ó el electrodo plata/plata cloruro: Ag/AgCl[sat], KCl[sat]). Cualquier sistema o ambiente que acepte electrones de un electrodo normal de hidrógeno es una media celda con un potencial redox positivo. En contraposición, cualquier ambiente o sistema que done electrones al electrodo normal de hidrógeno se define como una media celda con un potencial redox negativo. El potencial redox se mide en milivoltios o voltios. Un valor del potencial redox positivo y de alta magnitud es indicativo de un ambiente que favorece las reacciones de oxidación. Del otro lado, un valor Potencia redox negativo y de baja magnitud es indicativo de un ambiente altamente reductor.


Importancia ecológica:


Las reacciones de oxidación y reducción regulan el comportamiento de muchos compuestos químicos presentes en cuerpos de agua naturales. La reactividad, solubilidad y movilidad cíclica de elementos esenciales para los sistemas biológicos (ejemplo. Fe, S, N, C, P, y varios elementos metálicos) son afectados por cambios en el potencial redox. Al mismo tiempo, el potencial redox afecta la distribución y la actividad metabólica de microorganismos.




3.3 Radicales Libres


Los radicales libres son resultado de los procesos fisiológicos propios del organismo, como el metabolismo de los alimentos, la respiración y el ejercicio, o bien son generados por factores ambientales como la contaminación industrial, el tabaco, la radiación, los medicamentos, los aditivos químicos en alimentos procesados y los pesticidas. Son átomos o moléculas extremadamente reactivas, debido a que en el orbital más externo de su estructura tienen uno o más electrones sin aparear. Esta inestabilidad les confiere una avidez física por la captura de un electrón de cualquier otra molécula de su entorno, ocasionando que la estructura afectada quede inestable. De esta forma pueden establecer reacciones en cadena por medio de varios transportadores que se oxidan y se reducen secuencialmente, cuando un radical libre inicial modifica una biomolécula después de transferir o capturar un electrón. El daño es transmitido por medio de los transportadores, que incluso pueden ser moléculas circulantes.

Las estructuras subcelulares de generación de radicales libres incluyen principalmente las mitocondrias, los lisosomas, los peroxisomas, así como la membrana nuclear, la citoplásmica y la del retículo endoplásmico. Una vez que el radical se genera tiene una vida media de microsegundos, corto lapso de tiempo en el que es capaz de interactuar con las biomoléculas cercanas.

Los radicales libres juegan un papel fisiológico clave en la homeostasis, como es el caso del óxido nítrico sintetizado por la enzima óxido nítrico sintasa. El óxido nítrico participa en la relajación muscular, el control del tono vascular y varias otras funciones que dependen de la guanosina monofosfato cíclico (GMPc). El superóxido (O2¯) formado por la oxidasa NAD(P)H controla la producción de eritropoyetina, participa en el control de la ventilación, en la relajación del músculo liso y en la transducción de señales de varios receptores membranales que activan funciones inmunes. En general, los radicales derivados de especies reactivas de oxígeno intervienen en la respuesta del estrés oxidativo (el bombardeo persistente de moléculas por radicales de oxígeno reactivo) y mantienen la homeostasis redox. Los radicales libres son generados y utilizados por células como los neutrófilos, los monocitos, los macrófagos, los eosinofilos y los fibroblastos para eliminar organismos extraños como bacterias y virus. Pero el incremento de estos radicales conduce a un deterioro celular que se refleja de manera muy pronunciada durante la vejez, etapa en que se presentan varias enfermedades asociadas al daño oxidativo (destrucción molecular producida por radicales libres derivados del oxígeno).



REFERENCIAS


  • http://www.pucpr.edu/facultad/itorres/quimica106/Reacciones%20redox.pdf
  • http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/quimica/teoria/electroquim.pdf
  • http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-redox.pdf
  • http://www.alumno.unam.mx/algo_leer/Envejecimiento.pdf

viernes, 11 de junio de 2010

2. ATP

2.1 El ATP como Fuente de Energía Libre en los Sistemas Biológicos


Las células requieren un continuo suministro de energía. Esta es necesaria para la síntesis de moléculas complejas, la ejecución de trabajo mecánico y el transporte de sustancias a través de sus membranas. La energía es transferida desde las reacciones químicas que la acumulan a las que las consumen, mediante una molécula especial, el ATP. El término ATP es el acrónimo de adenosina trifosfato, con la F de fosfato reemplazada por la P del símbolo químico del fósforo (los intentos de traducir el ATP al castellano llamándolo ATF fracasaron). En las células, la energía que recibe o cede el ATP es la contenida en el enlace entre su último fosfato y el resto de la molécula. El enlace se forma durante la síntesis de ATP: incorporan así energía, la que se cede cuando el enlace se escinde



2.2 Estructura del ATP: Inestabilidad y Formación de Híbridos de Resonancia


La estructura en anillo formada por carbonos (C) y oxígeno (O) es la ribosa. La estructura formada por dos anillos que contienen carbono y nitrógeno (N) es la adenina. Ambos constituyen la adenosina. Los tres fosfatos (P) forman una cadena que se une a un carbono de la ribosa para constituir la adenosina trifosfato.
Los fosfatos se muestran con cargas eléctricas negativas porque en las condiciones fisiológicas pierden protones. La unión (-O-) entre los dos fosfatos más alejados de la adenosina es la que se forma o se rompe para acumular o ceder, respectivamente, energía.




2.3 Potenciales de Transferencia de Fosfato


El ATP puede hacer varios tipos de modificaciones a loa metabolitos:

  1. La fosforilación
  2. La pirofosforilación
  3. La adenililación

Las transferencias a menudo pueden activas un metabolito para pasos futuros. A estos grupos fosforilo pueden ser eliminados por medio de una hidrilización. Esta energía causada por la hidrólisis, termodinámicamente puede ser acoplada a la formación de ATP.

Esta transferencia de fosfato del ATP demuestra por que es la moneda central de energía en la célula. Estos intermedios fosforilados son muy importantes ya que:

  1. Se mantienen intermedios dentro de la célula, como intermediarios fosforilados tienen carga negativa y no puede salir de la célula a través de la membrana hidrofóbica, y por lo tanto el mantenimiento de altas concentraciones de los intermediarios dentro de la célula es posible (aunque con la oposición del gradiente de concentración)
  2. Conserva la energía almacenada en la molécula original de ATP en el vínculo del fosfoanhidrido.
  3. El aumento de energía de enlace para los intermediarios de la enzima fosforilada en sitios activos de reducción de energía de la barrera de activación, aumentando la especificidad de la enzima.



2.4 Hidrólisis de ATP y Energía Libre


1) La hidrólisis, al provocar la separación de cargas, elimina la repulsión electrostática entre las cuatro cargas negativas del ATP.

2) El producto fosfato inorgánico (P;) se estabiliza por la formación de un híbrido de resonancia, en el que cada uno de los cuatro enlaces fósforo-oxígeno tiene el mismo grado de carácter de doble enlace mientras que el ión hidrógeno no está asociado de manera permanente con ninguno de los oxígenos. (En los fosfatos involucrados en enlaces anhídridos o éster tiene lugar también un cierto grado de estabilización por resonancia, pero son posibles menos formas de resonancia que para el Pi.

3) El producto ADP2-se ioniza inmediatamente, liberando un protón a un medio de [H+] muy baja (pH 7). Un cuarto factor (no mostrado) que favorece la hidrólisis del ATP es el mayor grado de solvatación (hidratación) de los productos P; y ADP con relación al ATP, lo que estabiliza todavía más los productos con relación a los reactivos.


2.5 Hidrólisis del ATP Acoplada a Reacciones Bioquímicas no Espontáneas


La constante de equilibrio para una reacción exergónicas es mayor que 1, significando que la concentración de productos es mayor que la concentración de reactivos en el equilibrio.



Las reacciones exergónicas pueden estar acopladas con reacciones endergónicas. Reacciones de oxidacion-reduccion (redox) son ejemplos de reacciones exergónicas y endergónicas acopladas. Las enzimas frecuentemente actúan por acoplamiento de una reacción endergónica con una reacción exergónica mediante la hidrólisis de ATP.


2.6 NADH y FADH como Fuentes de Poder Reductor


El metabolismo oxidativo de hidratos de carbono, grasas y proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs supone la segunda. En la primera etapa los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos, la n de ácidos grasos y la glucolisis. La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP según la o.

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.





REFERENCIAS


  • http://www.cienciahoy.org.ar/hoy27/atp.htm
  • http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.biblioteca.org.ar/libros/hipertextos%2520de%2520biologia/atp.gif&imgrefurl=http://www.biblioteca.org.ar/libros/hipertextos%2520de%2520biologia/met1.htm&usg=__tztvzEX7bI8sSBVSFJzCxGE6nzs=&h=400&w=500&sz=8&hl=es&start=34&um=1&itbs=1&tbnid=MYnOvdIKhDmoBM:&tbnh=104&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Datp%26start%3D20%26um%3D1%26hl%3Des%26sa%3DN%26ndsp%3D20%26tbs%3Disch:1
  • http://www.biologia.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/energy_enzymes_catalysis/08t.html
  • www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/.../r18179.DOC
  • http://www.upt.edu.pe/admision/descargas/CIENCIAS/Biolog%C3%ADa/Modulo%206%20respiraci%C3%B3n%20celular.pdf
  • http://translate.google.com.mx/translate?hl=es&langpair=en|es&u=http://mcb.berkeley.edu/labs/krantz/mcb102/lect_S2008/MCB102-SPRING2008-LECTURE2-GLYCOLYSIS.pdf

miércoles, 9 de junio de 2010

1. INTRODUCCIÓN A LA BIOENERGÉTICA

1.1 Nociones Básicas de la Termodinámica


La termodinámica es una de las ramas de la fisicoquímica, la cual estudio “la dinámica del calor” y, por extensión, del flujo o movimiento de cualquier otra forma de energía.

La energía es un abstracto que, aunque no tiene una realidad física fácilmente describible, si es posible en todo caso reconocer su existencia a través de las manifestaciones y consecuencias de sus efectos. En términos de la física la energía se define como “la capacidad para realizar un trabajo”. Como un sistema físico puede poseer energía de diversas formas, como lo son:

  1. Energía cinética: es la energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento.

  1. Energía potencial: es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición en un cuerpo de fuerzas.

  1. Energía térmica: es la energía que posee un cuerpo en virtud a su temperatura.

La primera ley de la termodinámica es el enunciado más general de esta ley de la conservación de la energía; no se conoce ninguna excepción a esta ley. La ley de la conservación de la energía es una generalización de la experiencia y no es posible obtenerla a partir de otros principios.

Esta ley no presenta restricción alguna respecto a la conservación de energía de una forma a otra: sólo exige que la cantidad de energía sea la misma antes y después de la conversión.

La segunda ley de la termodinámica trata de la dirección de los procesos naturales. En combinación con la primera ley, permite predecir la dirección natural de cualquier proceso y, como resultado, pronosticar la situación de equilibrio.

La tercera ley de la termodinámica (ley cero de la termodinámica), es otro principio importante. La importancia de esta ley para el concepto de temperatura no se comprendió hasta que otros aspectos de la termodinámica alcanzaron un estado avanzado de desarrollo, de ahí su peculiar nombre de ley cero.

La ley cero se basa en la experiencia de que sistemas en contacto térmico no están en completo equilibrio entre sí mientras no tengan el mismo grado de calor, es decir, la misma temperatura.

Algunas definiciones en termodinámica:

Sistema, frontera, entorno. Un sistema termodinámico es aquella parte del universo físico cuyas propiedades se están investigando.

El sistema está confinado a un lugar definido en el espacio por una frontera que lo separa del resto del universo, el entorno.

Un sistema es aislado cuando la frontera evita cualquier interacción con el medio exterior. Un sistema aislado no produce efectos observables sobre el entorno.

Un sistema es abierto cuando pasa masa a través de la frontera.

Propiedades de un sistema. Las propiedades de un sistema son aquellos atributos físicos que se perciben por los sentidos o que pueden hacerse perceptibles mediante ciertos métodos experimentales de investigación. Las propiedades se dividen en dos clases: a) no medibles, como la clase de sustancias que componen un sistema y los estados de agregación de sus partes, y b) medibles, como presión y volumen, a las cuales se les puede asignar, por comparación directa o indirecta como un patrón, un valor numérico.

Estado de un sistema. Un sistema se encuentra en un estado definido cuando cada una de sus propiedades tiene un valor determinado. Debemos saber, por el estudio experimental del sistema o por la experiencia con sistemas semejantes.

Cambio de estado, trayectoria, ciclo, proceso. Sometamos a un sistema a un cambio de estado desde un estado específico inicial hasta un estado específico final.

El cambio de estado está completamente definido cuando se especifican los estados inicial y final.

La trayectoria del cambio de estado se define especificando es estado inicial, la secuencia de estados intermedios dispuestos en el orden que recorre el sistema y el estado final.

Un proceso es el método de operación mediante el cual se realiza un cambio de estado. La descripción de un proceso consiste en establecer todo o parte de lo siguiente: a) la frontera; b) el cambio de estado, la trayectoria o los efectos producidos en el sistema durante cada etapa del proceso, y c) los efectos producidos en el entorno durante cada etapa del proceso.

Supongamos que un sistema sometido a un cambio de estado regresa a su estado inicial. La trayectoria de esta transformación cíclica se llama ciclo y el proceso mediante el cual se realizó la transformación se llama proceso cíclico.

Una variable de estado es aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema.

Trabajo se define como cualquier cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que puede usarse por completo para elevar un cuerpo en el entorno.

Calor se define como una cantidad que fluye a través de una frontera durante un sistema un cambio de estado en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y que fluye de un punto de temperatura mayor a otro de temperatura menor.



1.2 Constante de Equilibrio y Energía Libre de Gibbs


El equilibrio químico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo. Así pues, si tenemos un equilibrio de la forma:

a A + b B= c C + d D

Se define la constante de equilibrio Kc como el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, para cada temperatura.

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la presión, y el efecto de la concentración. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier, que dice lo siguiente: si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación.

  • Efecto de la temperatura: si una vez alcanzado el equilibrio, se aumenta la temperatura, el equilibrio se opone a dicho aumento desplazándose en el sentido en el que la reacción absorbe calor, es decir, sea endotérmica.

  • Efecto de la presión: si aumenta la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa.

  • Efecto de las concentraciones: un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.

Kc y Kp

Para proceder a relacionar la Kc y la Kp debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas en la mezcla vale:

pi = (ni R T) / V = Ci R T

Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante Kc. De esta manera llegamos a la expresión:

Kp = Kc (R T)An

Donde la An es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos.

Relación entre la variación de energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio

La variación de Energía Libre de Gibbs y la constante de equilibrio están íntimamente ligadas entre sí a través de la siguiente ecuación:

AG = - R T Ln kp

Donde R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta, y Kc la constante de equilibrio.

La dirección y cantidad a la cual procede una reacción está determinada por el grado energía libre que dos factores cambian durante la reacción. Estos factores son la entalpía (DH, una medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción) y la entropía (DS, una medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)

Ninguna de estas cantidades termodinámicas por si mismas es suficiente para determinar si una reacción podrá suceder espontáneamente en el orden en el que está escrita. Pero, cuando se combinan matemáticamente, es posible conocer la tercera, a partir del conocimiento de dos de ellas. La entropía no se puede determinar experimentalmente, se debe calcular a partir de G y H.



1.3 ¿Qué es la Bioenergética?


La bioenergética describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. Utiliza las ideas básicas de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre. Los cambios en la energía libre (DG) proveen una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no.

La bioenergética se interesa sólo por los estados energéticos inicial y final de los componentes de una reacción, no del mecanismo o del tiempo necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo. La bioenergética predice si un proceso es posible; la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción.



1.4 Transducción de la Energía


Las distintas manifestaciones o formas de energía pueden transformarse unas en otras. Para que estas transformaciones hayan podido realizarse, ha sido fundamental la creación por parte del hombre de maquinarias, que por sí solas no producirían energía.

Las fuentes más naturales e independientes, en las que no existe la intervención directa del hombre son las siguientes:

· Energía solar: casi la totalidad de la energía proviene del sol y se manifiesta a través de radiaciones luminosas, caloríficas y electromagnéticas.

· Energía química: se encuentra contenida en cuerpos combustibles

· Energía bioquímica: está presente en el desarrollo de los seres vivos.

En las siguientes fuentes de energía, el hombre debe participar necesariamente en el control de las mismas:

  • Energía hidráulica: esta energía se origina con el movimiento del agua. Este movimiento puede ser consecuencia de la caída de corrientes de agua o de las crecientes y bajadas de las mareas.

  • Energía térmica o calorífica: se origina a partir de la combustión de un cuerpo combustible. Es empleada en un radiador eléctrico.

  • Energía eólica: es aquella que tiene origen en los vientos.



1.5 Trabajo Biológico


El trabajo biológico puede tener tres formas:

1) El trabajo mecánico por ejemplo de la contracción muscular

2) El trabajo químico que implica la síntesis de las moléculas celulares

3) El trabajo osmótico de transporte que concentra varias sustancias en los líquidos intracelulares y extracelulares.



REFERENCIAS



  • http://www.biopsychology.org/apuntes/termodin/termodin.htm
  • http://atenea.udistrital.edu.co/grupos/fluoreciencia/capitulos_fluoreciencia/qamb_cap11.pdf
  • http://www.si3ea.gov.co/Eure/1/inicio.html
  • http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/bioenergetica.html
  • http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=130