Indice
1.
Concepto
2. Hipótesis
Quimiosmótica
3. ATP, Sustancia Clave en la
Liberación de Energía
4. Estrés Oxidativo y
Nutrición
5. Las Metas para Controlar el
Colesterol
6. Como los Nutrientes se Relacionan con
la Performance Atletica
7. La Evolución de las
Proteínas
8. Sustancias de Interés
Biológico
9. Pasos desde la Glicólisis a la
cadena de transporte de electrones. ¿Por qué la
Mitocondria es Importante?
10. Cadena de Transporte de
Electrones
11. Estructura y Función de la
Membrana Interna y de las Partículas
Elementales
Aunque son muy diversas las biomoléculas que
contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP
(adenosín trifosfato) la molécula que interviene en
todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en
las células;
por ella se la califica como "moneda universal de
energía".
El ATP está formado por adenina, ribosa y tres
grupos
fosfatos, contiene enlaces de alta energía entre los
grupos
fosfato; al romperse dichos enlaces se libera la energía
almacenada.
En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se
hidroliza a ADP, rompiéndose un sólo enlace y
quedando un grupo fosfato
libre, que suele transferirse a otra molécula en lo que se
conoce como fosforilación; sólo en algunos casos se
rompen los dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato.
El sistema ATP
<-> ADP es el sistema universal
de intercambio de energía en las células.
Según la hipótesis
quimiosmótica sostenida por el investigador P. Mitchell,
que es la que goza de mayor prestigio, y puede además
explicar la síntesis
de ATP tanto en la mitocondria como en el cloroplasto. La
energía liberada por el transporte de
electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz al
espacio intermembrana (en mitocondrias); o desde el estroma al
interior del tilacoide (en cloroplastos). El bombeo de protones
se realiza a través de transportadores localizados en
complejos enzimáticas existentes en la membrana (de las
crestas mitocondriales o membrana tilacoidal, según el
caso).
De esta manera se genera un gradiente
electroquímico de protones que ejerce lo que se conoce
como fuerza
protonmotriz, ya que cuando los protones atraviesan de nuevo la
membrana interna (mitacondrial o tilacoidal) a favor del
gradiente, lo hacen a través del sistema ATP-sintetasa,
que se encuentra en dichas membranas, donde la energía
protonmotriz se transforma en energía de enlace en
moléculas de ATP.
El proceso se
podría comparar con este símil: El flujo de
protones cumple el papel de
transductor de energía, del mismo modo que el vapor que
suministra una caldera puede utilizarse para generar energía
eléctrica: el calor aplicado
a la caldera (flujo de electrones) calienta el agua y
forma vapor de agua
(gradiente electroquímico de H+), cuya presión
(fuerza
protonmotriz) se puede acoplar a las turbinas de un generador
eléctrico (ATP sintetasa) para producir electricidad
(ATP).
3. ATP, Sustancia Clave en
la Liberación de Energía:
La contracción muscular (esquelética)
sólo es posible utilizando la energía que es
liberada al descomponerse el ATP (Adenosintrifosfato) bajo la
acción de una enzima (ATPasa). En presencia de la ATPasa
el ATP se descompone en ADP (Adenosindifosfato) más P
(Fósforo) más ENERGIA (de
esta última, una parte se utiliza al realizar trabajo y
otra parte variable en su magnitud se pierde en forma de calor).
Las reservas de ATP en los músculos, apenas
alcanzan para unas cuantas contracciones. Estas reservas deben
ser mantenidas por generación continua de ATP,
fenómeno que ocurre gracias a la combustión de los alimentos en
presencia de oxígeno. En trabajos un poco más
prolongados el músculo dispone de otro fosfato rico en
energía (Creatinfosfato), que al desdoblarse libera
Energía y reconstituye el ADP en ATP.
Esa energía almacenada (como ATP y
Creatinfosfato) puede compararse por analogía con la
batería de un automóvil, ella alcanza para iniciar
el trabajo
muscular, pudiendo realizarse con esa energía almacenada
trabajo durante 5 a 8 segundos. Esto puede ser suficiente para
actividades deportivas como lanzamiento de disco, de martillo,
salto alto, salto largo, etc., pero no para actividades
musculares que duran más alla del tiempo
mencionado, a menos de que este sistema (o reserva
energética) sea nuevamente llenado.
La forma más efectiva para lograr este relleno
energético es mediante la combustión de sustancias ricas en
energía (el papel
principal lo tiene la glucosa). Sin embargo, cuando esto no es
suficiente; entonces se pone en marcha el mecanismo de
disposición de energía por la vía
anaeróbica acompañada de la formación de
ácido láctico. Lo cual ocurre en tres
condiciones:
a) Al inicio del trabajo muscular, el proceso de
combustión requiere de un intervalo de tiempo para
ponerse a plena marcha.
b) El lactato siempre se forma en cargas dinámicas
altamente intensivas (carrera de 400 mts).
c) La forma típica de carga que acompaña a la
liberación de energía con predominante
formación de ácido láctico es la carga de
fuerza (desarrollo y
mantenimiento
de fuerza). caso del trabajo estatico.
En este caso el músculo se contrae (desarrolla
tensión sin acortamiento), lo cual eleva la presión en
el tejido muscular, esto comprime los vasos sanguíneos que
conducen la sangre
arterializada (rica en oxígeno) hacia el músculo. Este tipo
de trabajo muscular bloquea el suministro de oxígeno y por
lo tanto la combustión de sustancias ricas en
energía (glucosa) se torna imposible.
4. Estrés
Oxidativo y Nutrición
Las reacciones de óxido reducción tienen
una amplia distribución en la naturaleza, y las
células de nuestro organismo no están ajenas a
estos procesos; muy
por el contrario la transformación de los alimentos en
sustratos más simples, de los cuales es posible obtener
energía, involucra reacciones
químicas de óxido reducción. Durante el
proceso de respiración celular se consume
oxígeno, y se genera ATP (adenosin trifosfato), quedando
como productos
dióxido de carbono y
agua. Sin
embargo, durante esta normal transformación se producen
también otras moléculas residuales, las especies
reactivas del oxígeno o radicales libres.
Los radicales libres son átomos o
moléculas inestables, altamente reactivas que atacan los
enlaces de proteínas
de los tejidos, los
fosfolípidos poliinsaturados de las membranas celulares,
carbohidratos,
y los ácidos
nucleicos de las células. Al actuar, se activa una
reacción en cadena que podría incluso llevar a
la muerte de
la
célula.
5. Las Metas para Controlar el
Colesterol
Este año (2001) se produjo el tercer reporte del
panel de expertos sobre detección, evaluación
y tratamiento del colesterol sanguíneo elevado en adultos,
llamado más comunmente ATP (por sus siglas en inglés).
Este reporte actualiza la guía clínica del Programa Nacional
de Educación
en Colesterol de los Estados Unidos de
América, guía que tradicionalmente
es una importante fuente de consulta para la mayoría de
los médicos latinoamericanos.
El ATP hace énfasis en en el tratamiento estricto para
controlar el colesterol que debe seguir el paciente con
enfermedad cardiaca coronaria establecida (quien ha sufrido de un
infarto cardíaco, por ejemplo) y propone un especial
enfoque para aquellas personas con alto riesgo de sufrir
de enfermedad cardiaca coronaria porque presentan
múltiples factores de riesgo.
El reporte propone que a todo adulto mayor de 20
años se le mida las concentraciones de:
- Colesterol total
- Colesterol LDL (colesterol en lipoproteínas
de baja densidad) - Triglicéridos
- El colesterol HDL (colesterol en
lipoproteínas de alta densidad)
puede calcularse a partir de los anteriores datos
Debe realizarse en completo ayuno y repetirse una vez
cada 5 años si el colesterol total es menor de 200 mg/dl.
ó el colesterol HDL es mayor de 40 mg/dl. En caso
contrario deberá hacerse un seguimiento de acuerdo a la
importancia de cada caso en particular.
6. Como los Nutrientes
se Relacionan con la Performance Atletica
La energía es el combustible utilizado para
alimentar músculos, huesos, nervios,
órganos y todas las actividades metabólicas del
organismo. La energía se obtiene de tres fuentes
primarias: carbohidratos,
grasas y proteínas.
Estos nutrientes proveen la energía química en forma de
ATP (adenosintrifosfato), permitiendo la contracción de
los músculos durante la actividad física.
En descanso y durante actividad de baja intensidad y
larga duración (aeróbica) como "endurance" o
"trekking" (la prueba completa es un ejercicio aeróbico
con picos de anaeróbico) el metabolismo
del músculo se alimenta de grasa como fuente principal de
energía. En el ejercicio aeróbico, que requiere
oxígeno el caballo quema grasa y gasta glucógeno
mientras lleva a cabo un trabajo lento, de baja intensidad que
puede durar largo tiempo.
El adenosintrifosfato(ATP) se produce en el metabolismo de
las grasas, glucógeno y proteína, para proveer
energía para la contracción muscular. A medida que
crece la intensidad del ejercicio, aumenta la utilización
de carbohidratos. En ejercicio de alta intensidad y poca
duración (anaeróbico) como carreras de velocidad,
carreras de tambores y "cutting" la fuente primordial de
energía son los carbohidratos provenientes del
glucógeno muscular y no se requiere oxígeno. El
ejercicio anaeróbico tiene que ver con alta intensidad en
períodos breves. Sin embargo, como se gastan las reservas
de glucógeno del músculo en el ejercicio
anaeróbico, la glucosa de la sangre
será utilizada. La oxidación de la proteína
se hace también importante. Sin embargo, la
proteína no es el combustible más importante, ni el
mas eficiente
7. La Evolución de las
Proteínas
Proteína (protos) significa lo primero, lo
inicial. Proteo, dios marino de la mitología
griega, tenía la capacidad de cambiar de forma cuando
quería. Las proteínas son macromoléculas
orgánicas formadas por aminoácidos. Toda vida tiene
su origen en este principio molecular primigenio y
versátil. Desde hace 4 mil millones de años vivimos
en la era de las proteínas. Prácticamente todas las
funciones que
los seres vivos realizan son llevadas a cabo por proteínas
(enzimas,
anticuerpos, algunas hormonas y
toxinas, etcétera). Existen unas 3 mil proteínas
distintas en una bacteria, y cerca de 40 mil en un ser
humano.
El proceso evolutivo ha estado
presente en todos los aspectos del universo: los
simples átomos de hidrógeno se fusionaron para
transmutarse en helio, carbón, hierro y los
demás elementos químicos; las estrellas y las
galaxias también evolucionan; los elementos se combinaron
para formar desde moléculas simples hasta complejas
macromoléculas; los seres vivos más sencillos
dieron lugar a organismos complejos y las aldeas primitivas se
convirtieron en megalópolis. Las proteínas
también evolucionan.
La función de
una proteína está determinada por su estructura
estereo-química, es decir, por el arreglo de sus
átomos en el espacio. En teoría
podría haber infinidad de arreglos posibles, pero uno de
los hallazgos recientes más importantes en bioquímica
es que solo existen unas pocas estructuras
estereo-químicas básicas. Se cree que estas
estructuras
básicas corresponden a proteínas ancestrales que
dieron origen a todas las proteínas actuales. Sería
difícil exagerar la importancia de este concepto que da
las bases para entender la relación estructura-función de
las proteínas, para el diseño
de proteínas nuevas, y para estudiar la evolución molecular y biológica en
tiempos tan remotos que ningún otro enfoque
permitiría.
Como producto del
proyecto de
investigación doctoral de Katy Juárez
López, realizado en el laboratorio
del doctor Enrique Morett, del Instituto de Biotecnología de la UNAM, apareció
en la revista
Proceedings of The National Academy of Science (vol. 97, marzo
28) el artículo "Evolución recíproca de los
dominios de un transactivador en un espacio de secuencia
restringido".
En su compleja estructura, una proteína
contemporánea cuenta con secciones específicas,
llamadas dominios, que conjuntamente proveen la función
global de la proteína. Algunos de estos dominios pueden
acoplarse, cual engranes de una rueda dentada, a las secuencias
de ADN activando sus
genes; otros realizan funciones
catalíticas o permiten la transferencia de energía,
mediante el rompimiento de un enlace fuerte del ATP (adenosin
trifosfato). Hasta ahora se daba como un hecho que el
acoplamiento de un "switch" molecular
como NifA con su ADN debía
ser muy preciso para desencadenar reacciones de síntesis
(activación), pero las investigaciones
realizadas por Katy Juárez con el ADN demuestran la
posibilidad de responder a una mutación que afecta la
precisión de ensamble, aumentando su función
activadora. Alternativamente, un enlace débil con el ADN
pudo haber sido seleccionado en respuesta a una desfavorablemente
elevada función de activación. Esto nos indica que
ha habido procesos de
diferenciación estructural y evolutiva de los dominios
iniciales. Una proteína puede mantener su capacidad
óptima balanceando dinámicamente las actividades de
sus diferentes dominios. A este proceso se le denominó
"evolución recíproca de dominios".
8. Sustancias de Interés
Biológico
Las sustancias que constituyen los seres vivos presentan
una enorme variedad, aunque en su gran mayoría son
compuestos del carbono, con
estructuras moleculares complejas. Sin embargo, esta variedad de
moléculas orgánicas es consecuencia de las
combinaciones de un número reducido de moléculas
sencillas que se unen entre sí para dar origen a largas
cadenas.
Los cuatro grupos principales de macromoléculas que
constituyen los seres vivos son: proteínas,
polisacáridos, lípidos y
ácidos
nucleicos. Cada uno de estos grupos cumple una función
específica en todas las células.
- Las proteínas son las macromoléculas
más abundantes en el interior de las células,
constituyendo el 50 % o más de su peso seco. Unas tienen
funciones estructurales en las células y otras,
actividades catalíticas específicas. - Los polisacáridos son almacén
energético y cumplen funciones estructurales
extracelulares. - Los lípidos también cumplen dos
funciones principalmente: son constituyentes de membranas
celulares y almacenes ricos
en energía. - Los ácidos nucleicos actúan almacenando
y transmitiendo la información genética.
Dentro de las funciones de los acidos nucleiros tenemos
la secuencia de bases del ADN se guarda la información que permite la biosíntesis de las proteínas,
determinando la secuencia de aminoácidos. Esta
información se denomina código
genético.
La estructura de doble hélice permite la
duplicación del ADN al abrirse las cadenas y poderse
copiar, a partir de cada una, otra con idéntica
estructura. Esta propiedad del
ADN es la base de la reproducción de los seres vivos.
El ARN participa en la síntesis de proteínas,
siendo un intermediario que se crea a partir del ADN.
EL ADENOSINTRIFOSFATO (ATP) se conoce como la «moneda
energética» de la célula, ya
que los enlaces entre los fosfatos son muy ricos en
energía. Cuando se rompen estos enlaces se desprende gran
cantidad de energía. De la misma manera, si en un proceso
metabólico (por ejemplo, en la glucólisis) se
desprende energía, ésta es captada en forma de ATP
para su posterior utilización.
Esquema de la
Organización Mitocondrial:
El alimento que comemos se oxida para producir
electrones de alta energía que se convierten en
energía almacenada. Esta energía es almacenada en
enlaces fosfato de alta energía, en una molécula
llamada adenosin trifosfato o ATP. El ATP proviene de convertir
el adenosin difosfato o ADP , mediante la adición de un
grupo fosfato
con un enlace alta energía. Varias reacciones en la célula
pueden o utilizar la energía (en este caso el ATP se
convierte en ADP liberando el enlace de alta energía), o
producirla (en donde el ATP se produce a partir del
ADP.
9. Pasos desde la
Glicólisis a la cadena de transporte de
electrones. ¿Por qué la Mitocondria es
Importante?
Repasemos los pasos de tal manera que se pueda ver como
el alimento se transforma en paquetes de energía de ATP y
agua. El alimento que ingerimos debe convertirse en los
metabolitos básicos que la célula
puede utilizar. Por ejemplo el pan (que contiene carbohidratos),
debe sufrir la acción de las enzimas
digestivas (en el borde del intestino o en la luz intestina)
para convertirse en unidades de carbohidratos simples que hemos
llamado glucosa. La glucosa debe absorberse y luego debe entrar
en la célula mediante moléculas especiales en la
membrana celular, que hemos denominado "transportadores de
glucosa".
Una vez dentro de la célula la glucosa es
procesada (se hacen moléculas mas pequeñas) para
hacer ATP por dos vías. La primera vía no requiere
oxígeno y es llamado el metabolismo anaerobio. Esta
vía es llamada glicólisis y se lleva a cabo el
citoplasma, fuera de la mitocondria. Durante la glicólisis
de la molécula original de glucosa (6 carbonos) se
obtienen dos moléculas de piruvato ( 3 carbonos cada una)
(gluco – dulce, lisis-cortar). Otros alimentos como las
grasas pueden también ser degradados ("cortados") para ser
utilizados como combustible. Cada reacción ha sido
diseñada algunos iones de hidrógeno (electrones),
que pueden utilizarse para hacer paquetes de energía
(ATP). Sin embargo sólo 4 moléculas de ATPs pueden
ser hechas a partir de glucosa mediante esta vía
(glicólisis). Por esto la mitocondria y el oxígeno
son tan importantes. Necesitamos continuar con el proceso de
degradación con el ciclo de Krebs o de los ácidos
tricarboxílicos, dentro de la mitocondria, para sí
conseguir suficiente ATP para que la célula pueda efectuar
todas sus funciones.
Los eventos que
ocurren dentro y fuera de la mitocondria son dibujados en el
diagrama
anterior. Piruvato es llevado dentro de la mitocondria, y
allí convertido a Acetil Co-A, el cual entra al ciclo de
Krebs. La primera reacción produce dióxido de
carbono, CO2, puesto esta reacción involucra la
remoción de un carbono del piruvato.
10. Cadena de Transporte de
Electrones
La tercera bomba en la serie cataliza la transferencia
de electrones al oxígeno para hacer agua. Este bombeo
quemiosmótico crea un gradiente electroquímico de
protones a través de la membrana, el cual es utilizado
para potenciar "la maquina productora de energía", o sea a
la Sintasa de ATP . .Esta moléculas se encuentra en la
pequeñas "partículas elementales"que se proyectan
desde la cresta. La
ilustración de abajo muestra una
partícula elemental
Como se mencionó arriba, este proceso requiere
oxígeno, por lo cual se llama "metabolismo
aeróbico". La ATP Sintasa utiliza la energía del
gradiente de iones hidrógeno (también llamado
protón), para hacer ATP a partir de ADP y fosfato.
También se produce agua a partir del oxígeno e
hidrógeno. Así cada compartimiento en las
mitocondrias se especializa en una fase de estas
reacciones.
Diagrama de la Sintasa del ATP:
Revisemos el
NAD y FAD remueven electrones que se donan durante algunos de los
pasos del cilco del ácido cítrico o de Krebs. Luego
ellos llevan los electrones a las bombas de
transporte de electrones y donan los electrones a las bombas,
así el NAD y el FAD se "oxidan" puesto que ellos pierden
iónes hidrógeno que donan a las bombas. Luego las
bombas transportan los iones hidrógeno al espacio entre
las dos membranas donde alcanzan una concentración
suficientemente alta como para servir de combustible a las bombas
de ATP. Con suficiente combustible, las bombas "fosforilan"el ADP
. Entonces así es como la oxidación"está
acoplada con la "fosforilación".
Los hidrógenos que son bombeados nuevamente a la
matrix mitocondrial por la bomba de ATP se combinan con el
oxígeno para hacer agua. Y esto es muy importante, por que
sin oxígeno, los iones de hidrógeno se
acumularían, y el gradiente de concentración
requerido para correr las bombas de ATP no seria posible. Y por
lo tanto no podría trabajar la bomba de ATP.
Por qué Necesitamos a la Mitocondria:
La idea detrás del proceso es obtener el máximo
posible de ATP de la glucosa (y de otros productos
alimenticios). Si no tenemos oxígeno, por cada
molécula de glucosa sólo obtendremos 4
moléculas de ATP – los paquetes de energía
(en la glicólisis). Sin embargo, cuando tenemos
oxígeno, podemos correr el ciclo de Krebs y producir
muchos mas iones hidrógeno que pueden potenciar las bombas
de ATP. Del ciclo de Krebs podemos obtener 24-28 moléculas
de ATP. De la glicólisis obtenemos 4 moléculas)
Entonces Ud. puede ver cuanta más energía podemos
obtener de una molécula de glucosa cuando se encuentran
trabajando las mitocondrias y tenemos oxígeno.
11. Estructura y
Función de la Membrana Interna y de las Partículas
Elementales
Ahora podemos apreciar la importancia de las crestas.
Ellas no solamente contienen y organizan la cadena de transporte
de electrones y las bombas de ATP, si no que también
sirven para separar la matrix del espacio intermembrana, en donde
se acumulan los iones hidrógenos que permitirán el
gradiente necesario para potenciar las bombas de ATP. Cuando se
discuta la manera en que las mitocondrias mueven las
proteínas hacia la matrix, se verá otra
razón por la que este gradiente de iones de
hidrógeno (protones) es tan importante.
Ilustración de las Partículas Elementales:
(carmelitas)
Con coloraciones apropiadas es posible ver unas proyecciones de
la superficie de la membrana interna de la cresta que se han
llamado partículas elementales. Estas son moléculas
de Sintasa de ATP
Los diagramas
anteriores mostraron al Citocromo C, situado justamente hacia
fuera de la membrana interna. Es un proteína
periférica, pegada sin mucha fuerza, localizada en el
espacio contenido por la cresta.
De hecho si la membrana externa es removida, frecuentemente se
pierde el Citocromo C, y debe ser remplazado para promover la
función del mitoplasto.
Ganadores del Premio Nobel sobre Adenosin
Trifosfato:
Boyer, Paul D. (Estados
Unidos)
Por su comprensión del mecánismo
enzimático subyacente a la síntesis del Adenosin
Trifosfato (ATP).
Universidad de
California. Los Angeles, CA, Estados Unidos
Skou, Jens C. (Dinamarca)
Por el primer descubrimiento de una enzima transportadora de
iones Na+ y K+ en el ATP.
Universidad de
Aarhus. Dinamarca
Walker, John E. (Gran Bretaña)
Por su comprensión del mecánismo enzimático
subyacente a la síntesis del Adenosin Trifosfato
(ATP).
Consejo de Investigación Médica del Laboratorio de
Biología
Molecular. Cambridge, Gran Bretaña
Autor:
Soto Ojeda Alvaro