Bioenergética mitocondrial

Bioenergética mitocondrial

HIPOTESIS QUIMIOSTÁTICA Y POTENCIAL ELECTROQUIMICO DE PROTÓN

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. 1

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. 1

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). 1

 

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CADENA RESPIRATORIA

Las células de todos los eucariotas contienen orgánulos intracelulares conocidos con el nombre de mitocondrias que producen ATP. Las fuentes de energía como la glucosa son inicialmente metabolizados en el citoplasma y los productos obtenidos son llevados al interior de la mitocondria donde se continua el catabolismo usando rutas metabólicas que incluyen el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la beta oxidación de los ácidos grasos y la oxidación de los aminoácidos. El resultado final de estas rutas es la producción de dos donadores de electrones: NADH y FADH₂. Los electrones de estos dos donadores son pasados a través de la cadena de electrones hasta el oxígeno, el cual se reduce para formar agua. Esto es un proceso de múltiples pasos que ocurren en la membrana mitocondrial interna. Las enzimas que catalizan estas reacciones tienen la notable capacidad de crear simultáneamente un gradiente de protones a través de la membrana, produciendo un estado altamente energético con el potencial de generar trabajo. 4

Los electrónes irán pasando por una serie de transportadores, situados en las crestas mitocondriales formando tres grandes complejos enzimáticos.  4

La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros, liberándose una cierta cantidad de energía (son reacciones redox) que sirve para formar un enlace de alta energía entre el ADP y el P, que da lugar a una molécula de ATP.  4

El último aceptor de electrones es el oxígeno molecular, que dara la formación de la molécula de agua. 4

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y SÍNTESIS DE ATP

El NADH y el FADH2 formados en la glicólisis, en la oxidación de los ácidos grasos y en el ciclo del ácido cítrico, son moléculas ricas en energía por que poseen un par de electrones con elevado potencial de transferencia. Cuando estos electrones se transfieren al oxigeno molecular, se libera una gran cantidad de energía, que puede ser utilizada para generar ATP. La fosforilación oxidativa es el proceso por el que se forma ATP como resultado de la transferencia de electrones desde el ANDH o el FADH2 al O2 a través de una serie de transportadores de electrones. 4

El flujo de electrones desde el NADH o el FADH2 al O2 a través de complejos proteicos localizados en la membrana interna de la mitocondria, provoca el bombeo de protones hacia el exterior de la matriz mitocondrial. Se genera una fuerza protomotriz que está formada por un gradiente de pH y por un potencial eléctrico transmembrana. Cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de un complejo enzimático, se sintetiza ATP. De esta forma, la oxidación y la forforilación están acopladas por un gradiente de protónes a través de la membrana interna mitocondrial. 4

INHIBIDORES Y DESACOPLANTES

El uso de inhibidores de la cadena ha permitido trazar el paso de los electrones a través de la cadena y determinar el punto de entrada de diversos sustratos. La velocidad a la cual el oxígeno es consumido por una suspensión de mitocondrias es una medida del funcionamiento de la cadena de transporte de electrones. La velocidad puede ser medida mediante un electrodo de oxígeno. Gran parte del conocimiento de la función mitocondrial ha resultado de estudios con compuestos tóxicos. Inhibidores específicos se han usado para distinguir el sistema de transporte de electrones del sistema de fosforilación oxidativa, y ha ayudado a definir la secuencia de los transportadores redox en la cadena. Si la cadena se bloquea en un punto, todos los transportadores anteriores quedan más reducidos, y los posteriores más oxidados. 2
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. 2

·         El succinato entra en el segundo punto de entrada a la cadena, posterior al del NAD+.  2

·         El amital (barbitúrico) inhibe al complejo I, afecta las oxidaciones dependientes del NAD+. 2

·         La antimicina A (Antibiótico) Actúa a inhibiendo el complejo III. Inhibe la reoxidación del NADH y del FADH2. 2

·         El cianuro bloquea el paso de electrones del citocromo A3 al oxígeno. 2

Estos inhibidores detienen el paso de electrones de modo que no hay bombeo de protones. Sin gradiente de protones, no hay síntesis de ATP.  2

2. Inhibidores de la fosforilación oxidativa, venenos que inhiben la ATP-sintasa.

·         La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad Fo e interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP. 2

·         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.  2

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.

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. 2

4. Inhibidores de transporte (atractalósido) que previenen ya sea la salida del ATP o la entrada de material combustible a través de la membrana mitocondrial interna.  2

5. Ionósforos (valinomicina, nigericina) que permiten el paso a través de la membrana a compuestos que normalmente están impedidos.  2

6. Inhibidores del ciclo de Krebs (arsenito) que bloquean una o más enzimas del ciclo de Krebs. 2

MEDICIÓN DEL CONSUMO DE OXIGENO   

Una de las metodologías posibles para determinar la respiración celular o mitocondrial es cuantificar el consumo de oxígeno en preparados de células o mitocondrias. Esta cuantificación se puede realizar mediante diferentes técnicas; una de las más sencillas es el electrodo un oxígeno. 3

ELECTRODO DE OXÍGENO:
El electrodo de oxígeno comprende un cátodo de platino central (B) unido a una resina y un ánodo de plata (C) concéntrico unido por un puente electrolítico y conectados al módulo control. La cámara del electrodo es preparada por aplicación de un espaciador de papel muy fino y una fina membrana de poli-tetra-flúor-etileno (P.T.F.E.) que es cuidadosamente fijada a la placa base donde se encuentran los electrodos por un anillo-O. En la presencia de oxígeno una pequeña corriente fluye a través de los electrodos que es proporcional a la concentración de oxígeno en la muestra. Esta señal es digitalizada por la unidad de control y presentada directamente en el PC. 3

Estos electrodos pueden ser acondicionados para medidas en fase líquida o en fase gaseosa. Todas las unidades del electrodo deben mantenerse a temperatura constante durante las determinaciones. Este efecto se consigue por circulación de agua a la temperatura deseada alrededor de la cámara y controlando la temperatura de los componentes de la muestra.  3



Este control es importante por dos razones:

1º.- El electrodo es sensible a la temperatura. 3

2º.- El contenido en oxígeno de las muestras acuosas saturadas de aire cambia con la temperatura. 3

Durante la medida, el electrodo consume una pequeña proporción del oxígeno disponible. Para evitar registrar un declive en la señal debido a este artefacto, las muestras deben estar continuamente en agitación de forma que la capa de líquido, situada encima del disco del electrodo, sea constantemente repuesta en oxígeno. 3

GENOMA MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

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. 2

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). 2

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. 2

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. 2

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. 2

  Bibliografía

1) http://es.wikipedia.org/wiki/Quimiosmosis

2) http://www.utu.edu.uy/Escuelas/departamentos/canelones/vitivinicultura/Bioquimica%20Enologica/Teoricos/Fosforilacion%20oxidativa.pdf

3) http://www.biologia.edu.ar/metabolismo/met6.htm 

4) http://es.wikipedia.org/wiki/Quimiosmosis#La_teor.C3.ADa_quimiosm.C3.B3tica