BIOENERGETICA MITOCONDRIAL

La fosforilación oxidativa mitocondrial engloba las reacciones que llevan a la síntesis de ATP utilizando la energía disponible tras la oxidación de sustratos en la cadena respiratoria. El acoplamiento de los dos procesos se realiza a través del gradiente de protones que es generado por la cadena respiratoria.

La cadena respiratoria mitocondrial consta de una serie de transportadores de electrones. La mayor parte de los electrones que entran en la cadena respiratoria lo hacen a partir de NADH, NADPH, FADH2 y FMNH2, que son nucleótidos de piridina y de flavina que actúan como aceptores de electrones. Estos aceptores de electrones captan electrones de las reacciones oxidativas del complejo piruvato deshidrogenasa, del ciclo del ácido cítrico, de la b-oxidación de ácidos grasos y de la oxidación de aminoácidos.  Los transportadores electrónicos mitocondriales están en la matriz y en la membrana interna.

En la matriz mitocondrial se encuentran el NAD (nicotinamida adenina dinucleotido) y el NADP (nicotinamida adenina dinucleotido fosfato). Estos transportadores son hidrosolubles, se asocian reversiblemente con deshidrogenasas y llevan los electrones provenientes de las reacciones catabólicas a su punto de entrada a la cadena respiratoria.

Sustrato reducido + NAD+ (oxidado) <-----> Sustrato oxidado + NADH (reducido).  NADH (es reducido al adquirir los electrones del sustrato, y luego lleva estos electrones hacia transportadores electrónicos de la membrana interna). Los transportadores electrónicos mitocondriales que se encuentran en la membrana interna, son: FAD y FMN, ambas flavoproteínas derivadas de la Vit. B12 que se asocian fuertemente a proteínas, Ubiquinona (UQ) que es soluble en los lípidos de la membrana y es un portador móvil de electrones, Citocromos, hay distintos tipos, tienen hierro como aceptor de electrones, los hay integrales, que atraviesan toda la membrana interna y externos, adosados a otros y proteínas Ferrosulfuradas.  Estos transportadores electrónicos mitocondriales (flavoproteinas, ubiquinona, proteínas ferrosulfuradas y citocromos) funcionan a través de complejos ordenados en serie, transportando electrones desde el NADH u otro dador electrónico primario y hasta el O2.    Los complejo son: I, II, III y IV. En estos complejos ocurren una serie de reacciones de oxido- reducción, que en los complejos I, III y IV, el efecto neto de estas reacciones es, un flujo de electrones acompañado por un movimiento de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana (espacio entre la membrana mitocondrial interna y la externa). Esto produce una diferencia de concentración de protones transmembrana, es decir, un gradiente de protones. Que es de suma importancia para la síntesis de ATP.3

SINTESIS DE  ATP

La enzima responsable es la ATP sintetasa. Es equivalente a una bomba de protones dependiente de ATP, actuando en forma inversa, de modo que el flujo de protones a favor de su gradiente electroquímico a través de esta “bomba” impulsa la condensación de ADP y Pi. La ATP sintetasa consta de dos subunidades: F0 conductora de protones y F1 sintetizadora de ATP.

La teoría quimiosmótica, explica la síntesis de ATP, debida al gradiente de H+ entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembrana. Este es el resultado, como hemos visto de la oxidación de diversos substratos, que lleva a la transferencia de electrones hacia el NAD, reduciéndolo a NADH y de este, los electrones pasan a través de la cadena de complejos transportadores hasta el O2 para reducirlo formando H2O. Este flujo electrónico esta acompañado de transferencia de protones a través de la membrana mitocondrial produciendo un gradiente químico (gradiente de pH, alcalino en el interior) y eléctrico (diferencia de potencial eléctrico, negativo en el interior). La membrana mitocondrial interna es impermeable a los H+, estos solo pueden volver a penetrar en la matriz a través de canales específicos de H+, como lo es la ATP sintetasa. Entonces la fuerza protón-motriz generada por el gradiente de H+ es la que impulsa el retorno de H+ a la matriz proporcionando la energía para la síntesis de ATP catalizada por la ATP sintetasa.

PROTEINAS DESACOPLANTES

Las proteínas desacoplantes, permiten el paso de H+ desde el espacio intermembrana hacia la matriz con generación de calor. Esto lleva a una disminución en el gradiente de H+, disminuyendo así el potencial electroquímico (negativo y alcalino en el interior), con lo que la fuerza protón-motriz que impulsa el retorno de H+ desde el espacio intermembrana hacia la matriz a través de la ATP sintetasa es menor , de modo que la síntesis de ATP disminuye. El efecto neto es una disminución de la eficiencia energética y un incremento de la termogénesis.    Hay dos mecanismos propuestos para el transporte de H+ por medio de las UCP: el “fatty acid protonophore” y el “fatty acid buffering”.

El “fatty acid protonophore”, supone que las UCP catalizan una translocación de tipo flip-flop (flip-flop, es un proceso en el cual los ácidos grasos pasan de un lado al otro de la bicapa lipídica que forma las membranas celulares) de ácidos grasos disociados (con cabeza polar de carga negativa) en la membrana interna mitocondrial. Esta translocación ocurre en ácidos grasos que orientan hacia la matriz, llevándolos hacia el lado opuesto, el espacio intermembrana. Una vez que la cabeza polar con carga negativa de estos ácidos grasos que se han translocado queda en contacto con el espacio intermembrana, se encuentra con H+, que se unen a su carga negativa y espontánea (esta vez no catalizada por UCP) y rápidamente se produce otra translocación flip-flop hacia el otro lado de la bicapa lipídica, la matriz mitocondrial, donde ocurre la desprotonación, liberándose el H+ en el interior de la matriz, con lo que la cabeza del ácido graso vuelve a quedar con carga negativa, completándose así el ciclo. El efecto neto de este ciclo es el flujo de H+ al interior de la matriz.

Las proteínas desacoplantes (UCP, Uncoupling Carrier Protein) son miembros de la superfamilia de proteínas transportadoras de la mitocondria. Se encuentran en la membrana interna de la mitocondria y actúan en la cadena respiratoria desacoplando la síntesis de ATP, produciendo en su defecto liberación de calor.  Estas proteínas pesan » 32 kDa, están formadas por » 300 aminoácidos, distribuidos en tres dominios transmembrana repetidos y conectados a través de seis hélices.  Se conocen hasta el momento cinco UCP: UCP1, UCP2, UCP3, UCP4 y UCP5 Cada una de ellas predomina en distintos tejidos y se les atribuyen diversas funciones.

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.

GENOMA MITOCONDRIAL

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.  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.

ENFERMEDADES ASOCIADAS

Se designa con el nombre de enfermedades mitocondriales a un grupo de trastornos cuya característica común es un defecto en la producción de ATP provocado por un fallo en el sistema de fosforilación oxidativa (sistema Oxphos). Esto se debe a que parte de los polipéptidos que componen este sistema están codificados en el ADN mitocondrial (ADNmt). Las enfermedades se pueden dividir en tres grupos: según estén asociadas a mutaciones puntuales, como la Neuropatía óptica hereditaria de Leber que se caracteriza por la perdida bilateral de la visión central y es causada en un 50% por un gen que codifica para la proteína G11778A( el otro 50% es causada por otros genes), el Síndrome de Neuropatía, Ataxia y Retinopatía pigmentaria causada por el gen T8993G, el Síndrome de Leigh de Herencia materna que afecta el tallo cerebral y a los ganglios basales entre otros que también es causada por mutaciones (superiores al 90%) del gen T8993G. Por otra parte encontramos enfermedades asociadas a la reorganización del ADNmt que pueden ser causadas por la deleción o adición de segmentos de ADNmt, como el Síndrome de la Médula ósea- páncreas de Pearson que afecta a la hematopoyesis y a la función pancreática exocrina, la Oftalmoplejia progresiva externa crónica y el síndrome de Kearns-Sayre que es una enfermedad multisistémica que presenta sordera y demencia entre otros síntomas. Y 3º las enfermedades causadas por una disminución en la cantidad de ADNmt que solo han afectado a niños con combinaciones variables de miopatías, neuropatías, hepatopatías, etc.

REACCIONES OXIDO - REDUCCION

Las reacciones de reducción-oxidación (también conocidas como reacciones redox) son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente).

• El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir; oxidándose.

• El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir; reducido.

Las células poseen un circuito biológico análogo al motor, con compuestos relativamente reducidos como la glucosa como fuente de electrones. Como la glucosa es oxidada enzimáticamente, el flujo de electrones migra espontáneamente a través de una serie de intermediarios acarreadores de electrones a otras especies como el O2. este flujo de electrones es exergónico porque el O2 posee una elevada afinidad por los electrones comparada con los intermediarios acarreadores de electrones. La FEM resultante provee de energía a una variedad de transductores moléculaeculares de energía (enzimas y otras proteínas) que hacen trabajo biológico. En la mitocondria, por ejemplo, existen enzimas membranales que acoplan el flujo de electrones a la producción de una diferencia transmembranal de pH, lo cual es acompañando por trabajo osmótico y eléctrico. El gradiente de protones es energía potencial, a menudo denominada fuerza protón-motriz por analogía con la FEM. Por otra parte la enzima ATPsintasa ubicada en la membrana interna mitocondrial, utiliza esta fuerza protón-motriz para hacer trabajo químico, es decir, la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a medida que los protones migran espontáneamente a través de la membrana.

El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. Está relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el pH mide la actividad de protones y el potencial redox mide la de los electrones.

RADICALES LIBRES.

Los radicales libres son átomos o grupos de átomos que tienen un electrón(e-) desapareado en capacidad de aparearse, por lo que son muy reactivos. Estos radicales recorren nuestro organismo intentando robar un electrón de las moléculas estables, con el fin de alcanzar su estabilidad electroquímica.

Una vez que el radical libre ha conseguido robar el electrón que necesita para aparear su electrón libre, la molécula estable que se lo cede se convierte a su vez en un radical libre, por quedar con un electrón desapareado, iniciándose así una verdadera reacción en cadena que destruye nuestras células. La vida biológica media del radical libre es de microsegundos; pero tiene la capacidad de reaccionar con todo lo que esté a su alrededor provocando un gran daño a las moléculas y a las membranas celulares. Los radicales libres no son intrínsecamente malos. De hecho, nuestro propio cuerpo los fabrica en cantidades moderadas para luchar contra bacterias y virus. Los radicales libres producidos por el cuerpo para llevar a cabo determinadas funciones son neutralizados fácilmente por nuestro propio sistema. Con este fin, nuestro cuerpo produce unas enzimas (como la catalasa o la dismutasa) que son las encargadas de neutralizarlos. Estas enzimas tienen la capacidad de desarmar los radicales libres sin desestabilizar su propio estado.

 

Las reacciones químicas de los radicales libres se dan constantemente en las células de nuestro cuerpo y son necesarias para la salud. Pero, el proceso debe ser controlado con una adecuada protección antioxidante. Un antioxidante es una sustancia capaz de neutralizar la acción oxidante de los radicales libres, liberando electrones en nuestra sangre que son captados por los radicales libres convirtiéndose en moléculas inestables.

Nuestro organismo está luchando contra los radicales libres cada momento del día,  producidos mayormente por contaminantes externos que penetran en nuestro organismo productos de la contaminación atmosférica, el humo del cigarrillo que contiene hidrocarburos aromáticos polinucleares, así como aldehídos que producen distintos tipos de radicales libres en nuestro organismo. El consumo de aceites vegetales hidrogenados tales como la margarina y el consumo de ácidos grasos trans como los de las grasas de la carne y de la leche también contribuyen al aumento de los radicales libres.

 

La protección que debemos tener para evitar el aumento de los radicales libres en nuestro organismo que aceleran la rapidez de envejecimiento y degeneración de las células de nuestro cuerpo es el consumo de antioxidantes naturales tales como el beta caroteno(pro-vitamina A) presentes en la zanahoria, mango, tomates, melón, melocotón, espinacas.

Vitamina E(tocoferol) es un antioxidante que mantiene la integridad de la membrana celular, protege la destrucción de la vitamina A, previene y disuelve los coágulos sanguíneos y retarda el envejecimiento celular. Se encuentra en muchas frutas y vegetales tales como: El aguacate, boniato, espárragos, espinacas, tomates, bróculi, moras y zanahorias.

La vitamina C (ácido ascórbico) es otro de los antioxidantes naturales que destruyen el exceso de radicales libres. Necesaria para producir colágeno, importante en el crecimiento y reparación de las células de los tejidos, encías, vasos, huesos y dientes, y para la metabolización de las grasas, por lo que se le atribuye el poder de reducir el colesterol. Investigaciones han demostrado que una alimentación rica en vitamina C ofrece una protección añadida contra todo tipo de cánceres. Además de la prevención del resfriado común y el fortalecimiento de las defensas del organismo. Las fuentes alimentarias de la vitamina C son: Grosellas, pimiento verde, kiwi, limón (todos los que están antes del limón tienen mayor contenido de vitamina C que éste y los que están después menor), fresas y coliflor, coles de bruselas, naranjas, tomates, nabo y melón.

 Ya se conoce bastante bien como la célula se defiende del estrés oxidativo. Para combatirlos, ellas utilizan componentes enzimáticos y componentes no enzimáticos. Los componentes enzimáticos son básicamente tres: la enzima superóxido dismutasa (SOD), la enzima glutation peroxidasa (GSHPx) y la enzima catalasa (CAT). La enzima SOD destruye a los radicales libres superóxido. Su actividad se relaciona con las células aeróbicas (que requieren oxígeno). La enzima GSHPx, se relaciona principalmente con las membranas celulares. Destruye a los peróxidos orgánicos formados en los ácidos grasos poli-insaturados de las membranas, como producto del ataque de radicales libres oxigenados. También reacciona activamente con el peróxido de hidrógeno, destruyéndolo. Finalmente, la enzima CAT destruye al peróxido de hidrógeno formado en los peroxisomas (organelo intracelular), como producto de la actividad metabólica. Esta enzima es particularmente importante en el glóbulo rojo, ya que en estas células, que no poseen peroxisomas en su estado maduro, la enzima está libre en el citoplasma cumpliendo una actividad citoprotectora de gran relevancia. Los componentes no enzimáticos del sistema de defensa antioxidante son muy numerosos. Sin embargo, los más importantes son el glutation reducido (GSH), la ceruloplasmina (proteína transportadora de cobre en el plasma), la ferritina (proteína transportadora de hierro), el ácido úrico, la vitamina E, la vitamina C, el betacaroteno (pro vitamina A), y los aminoácidos derivados de la taurina e hipotaurina. La actividad antioxidante de estas moléculas no sólo depende del metabolismo celular, sino también de la nutrición, ya que algunas de estas moléculas no son sintetizadas por el organismo y deben ser aportados por la dieta.