BIONERGETICA MITOCONDRIAL
Los organismos vivos existen gracias a que mantienen una entrada continua de energía. Parte de ella es utilizada en las funciones esenciales, como el mantenimiento, el crecimiento y la reproducción, y el resto se pierde en forma de calor.
Para la mayoría de los organismos la fuente primaria de energía es el sol. Las plantas y las bacterias fotosintéticas utilizan la energía solar para producir moléculas orgánicas a partir del CO2 (organismos autótrofos). Los animales obtienen alimento mediante la ingesta de plantas o animales que a su vez se alimentan de plantas (organismos heterótrofos).
Las células necesitan un aporte constante de energía para generar y mantener el orden biológico que las mantiene vivas. Esta energía deriva de la energía de los enlaces químicos de las moléculas de los nutrientes, los que sirven como combustible para las células. La energía útil proviene de los enlaces químicos almacenada en la glucosa cuando es hidrolizada y oxidada a dióxido de carbono y agua.
Fosforilación oxidativa:
- La mayor parte del ATP producido en las células es por un mecanismo de membrana en la mitocondria y en el cloroplasto. Consiste en dos fases interrelacionadas, que se realizan por complejos proteicos embebidos en la membrana.
- Fase 1: los electrones (derivados del NADH y del FADH2) son transferidos a lo largo de una serie de transportadores de electrones –denominados cadena de transporte de electrones- integrados en la membrana. Estas transferencias de electrones liberan energía que es utilizada para bombear protones (H+ derivados del agua) a través de la membrana y así generar un gradiente electroquímico de protones.
- Fase 2: los H+ fluyen a favor de su gradiente electroquímico, a través de un complejo proteico denominado ATP sintetasa, el cual cataliza la síntesis (dependiente de energía) de ATP a partir de ADP y Pi. Esta enzima ubicua actúa como una turbina, permitiendo que el gradiente de protones impulse la producción de ATP.
La interrelación entre el transporte de electrones, el bombeo de protones y la síntesis de ATP se le conoce como acoplamiento quimiosmótico. El acoplamiento quimiosmótico es utilizado por la mayoría de los organismos vivos como fuente de producción de ATP, utilizando una gran variedad de sustancias diferentes como fuente de electrones para activar la bomba de protones. Los organismos aeróbicos utilizan la oxidación de glucosa y ácidos grasos, los vegetales necesita de la energía luminosa para producir los electrones y ciertas bacterias utilizan compuestos inorgánicos como hidrogeno, hierro y sulfuro como fuente de electrones. Todos reducen al oxigeno como aceptor de los electrones formando agua como desecho.
Cadena respiratoria
Lleva a cabo la fosforilación oxidativa y está formada por 40 proteínas, de las cuales solo 15 están directamente implicadas en el transporte de electrones, las que están agrupadas en 3 grandes complejos enzimáticos. Los complejos respiratorios son: 1) el C. de la NADH deshidrogenasa, 2) el C.del citocromo b – c1 y 3) el C. de la citocromo oxidasa. Todos los complejos contienen en sus moléculas iones metálicos y otros grupos químicos que forman una vía para el paso de los electrones a través del complejo. Cada uno de los complejos es una maquina proteica que bombea protones a través de la membrana mientras los electrones son transferidos a su través.
El "complejo I" o NADH deshidrogenasa o NADH: ubiquinona oxidoreductasa captados electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo el Complejo I transloca cuatro protones a través de membrana, produciendo un gradiente de protones.
El "Complejo II" o Succinato deshidrogenasa; no es un bomba de protones. Además es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Este complejo dona electrones a la ubiquinona desde el succinato y los transfiere vía FAD a la ubiquinona.
El "complejo III" o Complejo citocromo bc1; obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca dos protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.
El complejo IV o Citocromo c oxidasa; capta cuatro electrones de las cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además "desaparecen" de la matriz 4 protones que forman parte del H2O.
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.
- La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad Fo e interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.
- Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por Fo al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de Fo 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.
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.
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.
El gradiente electroquímico de protones que se genera a través de la membrana mitocondrial interna es utilizado para impulsar la síntesis de ATP. El mecanismo de síntesis de ATP se genera por la enzima ATP sintetasa. Esta genera una vía hidrofílica a través de la membrana que permite a los protones volver a favor de su gradiente electroquímico. Los iones se abren paso por la ATP sintetasa y son utilizados para impulsar la reacción, energéticamente desfavorable, entre el ADP y el Pi produciendo ATP.
BIBLIOGRAFÍA.
Lengeler JW; Drews G; Schlegel HG 1999. Biology of the Prokaryotes. Blackwell Science.
Nicholls DG; Ferguson SJ (Jul de 2002). Bioenergetics 3. Academic Press.
http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/introduccion%20fosforilacionoxidativa.html
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