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.
quimiosmosis en una mitocondria
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.2
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).
El acoplamiento quimiosmótico es importante en la producción de ATP en el cloroplasto y muchos tipos de bacteria.
La fuerza Protón-Motriz
En la mayoría de los casos, la FPM es generada por una cadena transportadora de electrones, que actúa como una bomba de electrones tanto como una de protones, bombeando electrones en direcciones opuestas, creando una separación de carga. En la mitocondria, la liberación de energía libre desde la cadena transportadora de electrones, es utilizada para mover protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana de la mitocondria. Mover los protones a las partes externas crea una concentraciones levemente alta de partículas cargadas positivamente, dando por resultado un lado más positivo y un lado más negativo (El gradiente eléctrico generado es de aproximadamente -200 mV (matriz negativa) )
Ésta diferencia de carga da como resultado un gradiente electroquímico. Éste gradiente se compone tanto del gradiente de pH y del gradiente eléctrico. El gradiente de pH corresponde a la diferencia en la concentración del ión H+. Juntos, el gradiente electroquímico de protones corresponde tanto a la concentración como a la diferencia de carga que se pueda generar, se denomina Fuerza Protón-Motriz (FPM).
En la mitocondria, la FPM se crea mayoritariamente por el componente eléctrico, mientras que en los cloroplastos, la FPM es prácticamente creada por el gradiente de pH. En cualquiera de los casos, la FPM necesita ser de 50 kJ/mol aproximadamente para que la ATP-sintasa sea capaz de producir ATP.
INHIBIDORES Y DESACOPLANTES
La energía química útil para la realización de las actividades celulares esta asociada al metabolismo del ATP, se
desprende de su hidrólisis y se genera a partir del metabolismo oxidativo (NADH) para la refosforilación del ADP hasta ATP.
Los efectos de los xenobióticos sobre estos procesos mitocondriales (T. E. y F. O.) se pueden comparar con los
manifestados por otros agentes ya estudiados, clasificados en inhibidores o desacoplantes. En general los XBs se comportan
produciendo interferencias en la membrana interna mitocondrial, interrumpiendo el paso de los e-, el gradiente de H+ o la
actuación de la ATP-sintasa.
En un sentido muy amplio, los compuestos químicos que interfieren con la síntesis de ATP mitocondrial se pueden asociar
en cuatro grupos, según se recoge en el siguiente esquema:
I.- Inhibidores del metabolismo oxidativo.
II.- Inhibidores del transporte electrónico.
III.- Inhibidores de la liberación de O2 a la C.T.E.M.
IV.- Inhibidores de la fosforilación oxidativa.
I.- Inhibición en la liberación de [H] a la cadena de transporte electrónico mitocondrial (CTEM)
* Glucolisis: hipoglucemia, yodoacetato crítico en neuronas
* B-oxidación: ácido 4-pentenoico crítico en músculo cardiaco
* Piruvato Deshidrogenasa: arsenito, DCl-VinilCYS, p-benzoquinona
** aconitasa fluoroacetato, NO
II.- Inhibición el transporte electrónico.
* Inhibidores de los complejos del TE :
*** I.- NADH-CoEQ reductasa: rotenona, amital, MetPhPiridinium(DPP+)
*** II.- succinato DesH: malonato, DCVC, PentaCl-ButDien-cys, 2Br-hidroquinona
*** II.- Coenzima Q-Cit c reductasa: antimicina A, mixotiazol, PCBs
*** III.- Citocromo c oxidasa: CN-, SH, azida, fórmico
*** IV.- Inhibidores múltiples: dinitro-anilina, herbicidas difenil-eter, NO, PCBs
* Aceptores de electrones: CCl4, doxorrubicina, menadiona, DPP+
III.- Inhibición de la liberación de O2 a la CTEM.
* Agentes que provocan parálisis respiratoria: convulsivos, depresores del CNS
* Agentes que causan isquemia: alcaloides, cocaina
* Agentes que inhiben la oxigenación de la Hb: CO, agentes oxidantes que forman meta Hb(Fe3+)
IV.- Inhibición de la fosforilación del ADP , se puede producir al nivel de:
1 ATP sintasa: oligomicina, DDT, clordecone
2 Transportador ADP/ATP (antiporte): atractilosido, DDT, Ac Grasos, lisopospolípidos
3 Transportador de fosfato: N-etil maleimida, p-benzoquinona
4 Agentes desacoplantes del potencial de membrana:
* * Ionóforos: penta-Cl-fenol, dinitro-fenol, benzo-nitrilo, salicilato,
valinomicina, gramicidina
* * Agentes permebealizantes de la membrana interna mitocondrial:
pentaCl-butadienil-CYS, clordecone.
El daño sobre la fosforilación oxidativa que impide la refosforilación del ADP, produce la acumulación del ADP y
de los productos de su hidrólisis, a la vez que una disminución en los niveles de ATP. Hepatocitos en cultivo expuestos a
KCN y yodoacetato exhiben un rápido aumento de H+ y Mg+2 citosólicos, como resultado de la hidrólisis de las sales de
ADP y AMP con Mg+2, al igual que la salida al medio de Pi y Mg+2. La caída en los niveles de ATP comprometen todas las
operaciones que dependen de él. La pérdida de iones influye sobre el volumen celular, disminuyéndolo.
MEDICIÓN DEL CONSUMO DE OXÍGENO
Respirómetros a presión constante
El principio de funcionamiento de los respirómetros a presión constante se basa en la fijación en medio acuoso alcalino del CO2 liberado por los organismos, y la consecuente disminución del volumen gaseoso de la cámara donde aquel se encuentra, debido al consumo del O2. Estos respirómetros funcionan a presión constante, pues continuamente se nivela la presión interna con la presión externa, a través de un líquido cuyo desplazamiento sobre una pipeta graduada, de disposición horizontal, equivale al volumen de oxígeno consumido.
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 eucariotase 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.
Este ADN, al igual que los ADN bacterianos, es una molécula bicatenaria, circular, cerrada, sin extremos. En los seres humanos tiene un tamaño de 16.569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes, distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de la molécula de ADN. En él están codificados dos ARN ribosómicos, 22 ARN de transferencia y 13 proteínas que participan en la fosforilación oxidativa.
Estos genes mitocondriales son:
genes de ARNts
genes de ARNrs
genes de ARNms, codificando para diversas proteínas
El número de genes en el ADN mitocondrial es de 37, frente a los 20.000 - 25.000 genes del ADN cromosómico nuclear humano.
Otra característica importante del ADN mitocondrial es que no se recombina. Ello implica que los únicos cambios que haya podido haber en el ADN mitocondrial se deben exclusivamente a mutaciones a lo largo de multitud de generaciones. Los cálculos estadísticos que se han realizado informan que, en los mamíferos y en concreto en el hombre, cada 10.000 años aproximadamente surge una mutación en una de las bases del ADN mitocondrial (esto no es del todo cierto, aunque sí lo es para el fragmento que más mutaciones sufre, que consta de unos 500 pares de bases). Es decir, la diferencia entre una mujer que hubiera nacido hace 40.000 años y un descendiente directo por vía materna que viviera en la actualidad sería por término medio de 4 bases. De hecho, un estudio realizado en los ADN mitocondriales de los europeos (Bryan Sykes) asegura que todos los europeos provienen de siete mujeres, las siete hijas de Eva. La más antigua habría vivido hace 45.000 años y la más moderna hace unos 15.000 años. La Eva mitocondrial, la antepasada común más moderna de todos los seres humanos que hay en el mundo, se remontaría de este modo a unos 150.000 años.
Tradicionalmente se ha considerado que el ADN mitocondrial se hereda solo por vía materna. Según esta concepción, cuando un espermatozoide fecunda un óvulo penetra el núcleo con su ADN pero deja afuera su cola y citoplasma, donde están las mitocondrias. Por lo tanto, en el desarrollo del cigoto sólo intervendrían las mitocondrias contenidas en el óvulo. Sin embargo, se ha demostrado que las mitocondrias del espermatozoide pueden ingresar al óvulo. Según algunos autores el ADN mitocondrial del padre puede perdurar en algunos tejidos, como los músculos. Según otros, no llega a heredarse al ser marcadas por ubiquitinación y degradadas.
El ADN mitocondrial puede ser usado para identificar individuos junto con otra evidencia. También es usado por laboratorios forenses para identificar viejas muestras de esqueleto humano. Distinto que el ADN nuclear, el ADN mitocondrial no sirve para identificar individuos, pero si para identificar grupos de individuos, es usado entonces para aceptar o rechazar comparaciones entre personas perdidas y restos no identificados.
Las enfermedades mitocondriales son resultado de la falla de las mitocondrias, los compartimentos especializados presentes en cada célula del cuerpo, con excepción de los glóbulos rojos de la sangre. Las mitocondrias son las responsables de la creación de más del 90% de la energía que el cuerpo necesita para mantener la vida y apoyar el crecimiento. Cuando fallan, se genera cada vez menos energía al interior de la célula. Puede entonces presentarse lesión celular o incluso la muerte de la célula. Si este proceso se repite en todo el cuerpo, los sistemas completos comienzan a fallar y la vida de la persona que lo sufre, está en grave riesgo. Esta enfermedad afecta principalmente a los niños, pero los brotes en adultos se están volviendo más y más comunes.
ENFERMEDADES MITOCONDRIALES:
Las enfermedades de las mitocondrias parecen ocasionar el mayor daño a las células del cerebro, del corazón, del hígado, músculo esqueléticas, del riñón así como a los sistemas endocrino y respiratorio.
Dependiendo de qué células resulten afectadas, los síntomas pueden incluir pérdida de control motor, debilidad muscular y dolor; desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; crecimiento deficiente, enfermedades cardiacas, del hígado, diabetes, complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones.
No hay una característica única para identificar una enfermedad mitocondrial. Los pacientes presentan varios problemas que pueden surgir desde el nacimiento hasta en la edad adulta madura. Piense en las mitocondrias cuando:
• Una “enfermedad común” presente características atípicas que la distingan del resto.
• Haya tres o más órganos involucrados
• Se presenten recaídas recurrentes, o cuando ocurran brotes de infección en una enfermedad crónica.
Las enfermedades mitocondriales o citopatías, deberán considerarse como posibles en diagnósticos diferenciales, cuando aparezcan estas características inexplicables, especialmente cuando ocurran en combinación con:
Síntomas:
• Encefalopatía
o Convulciones
o Retraso en el Desarrollo o Regresión (incluyendo demencia temprana o episodios tardíos)
o Mioclono
o Desórdenes de Movimiento (distonia, disquinesias, corea, etc.)
o Migraña Complicada
o Infartos
• Neuropatía
• Defectos en los Conductos Cardiacos
o Cardiomiopatías
• Deficiencias en la Audición
• Estatura corta
• Desórdenes de Músculos Extraoculares
o tosis
o estrabismo adquirido
o oftalmoplegia
• Diabetes
• Enfermedad Renal Tubular
• Pérdida de la Visión
o retinitis pigmentosa
o atrofia óptica
• Acidosis láctica
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