INTRODUCCION A LA RADIACION ULTRAVIOLETA (UV) Y OZONO

El sol, principalmente esta compuesto de hidrogeno y de helio, debido a las altas presiones, el hidrogeno que se encuentra en el núcleo se convierte en helio, liberado energía, que pierde intensidad conforme recorre el sol. La temperatura en el centro del sol es de 15 millones de °C y en la superficie 5 mil °C.

La energía que recibe la tierra  proviene del sol, de la fotosfera, que se encuentra a 4000-6000 k  se mantiene esta temperatura gracias a que hay reacciones en el centro del mismo, son transformados 400 millones de toneladas de hidrogeno en helio cada segundo, la radiación que emite el sol, comprende una amplia gama de longitudes de onda que van desde los rayos gamma hasta las ondas de radio. La atmosfera de la tierra absorbe parte de la radiación UV que emite el sol, asi como tiene inconvenientes como el daño a animales se puede decir que también hay bneficios pues una parte de esta radiación interviene en la proceso de fotosíntesis en los vegetales, y también sirve para la síntesis de vitamina D, tiene que haber un equilibrio por que si se llega a romper para cualquier lado, tendría resultados impredecibles. En los últimos años se ha visto que este quilibrio esta siendo roto por industrias.

Este especro se puede subdividir en tres zonas que se comporan diferente ante una dismunucion de la capa de ozono, la UV-A (320-400nm) UV-B(280-320) y UV-C (inferior a 280nm)

De los tres tipos de luz UV la A y la C no son significativas en cuanto a daño en la tierra, pues la mayoría de ellas es absorbida por el ozono, en cambio los rayos UV-B están ligados a lesiones de piel, cáncer, etc. aunque no solo eso esta relacionado, también al too de piel, los cuidados etc. el cáncer de piel disminuye a la latitud pues pues hay mayor inclinación de los rayos solares.

La disminución del ozono,  en un 1% acarraera, problemas, como cáncer de piel, el ADN también se podría ver afectado pues es sensible a ese tipo de luz, la fotosíntesis, los peces, y algas también.

La capa de ozono, muchas veces se piensa equívocamente que es un gas que esta concentrado a una altitud especifica, sin embargo esto no es cierto, la capa de ozono es un gas escaso de tres moléculas de oxigeno, esta esparcido desde el suelo, hasta la estratosfera, en condiciones estándar, tendría un espesor de 3 milimetros, el espesor depende de la latitud y la época del año, pueden haber variaciones de ozono de un dia a otro.

El ozono se forma en la estratosfera por acción de la radiación ultravioleta solar sobre el oxigeno molecular, la vida media del ozono es de segundos a días, es el causante de la distribución de  temperaturas.y moléculas de tejido cutáneo

La radiación solar es capaz de penetrar distintas capas de piel, y se puede originar fotobiología que es un encuntro entre fotones  los cromoforos son las moléculas que absorben los fotones,  puede haber daños moleculares también por que la radiación puede alcanzar el dna de las células cutáneas, y asi se desencadenan alteraciones.

Hay mecanismo que utiliza la piel como defensa como la melanogenesis, que es cuando se fabrica melanina, que esta regulado por radiación UV la eumelanina es un filtro para la radiación UV que se encuentra en personas morenas, en cambio la feomelanina, no es foto protectora, esta se encuentra en personas pelirojas.

Otro mecanismo que utiliza la piel es la hiperqueratosis, que se trata de engrosar el estrato corneo, hay una protección también contra radicales libres, que se regulan mediante mecanismos que están basados en sistemas enzimáticos, sistemas de reparación de DNA, hay vitaminas y oligoelementos que actúan como captadores de radicales libres.

FOTOSINTESIS

La tierra recibe energía que es irradiada por el sol, solo una parte de la luz del sol llega a la tierra, pues otra gran parte se absorbe, o se dispersa antes de llegar a la tierra.

La fotobiología comprende desde 300 a 1100 nanómetros, de esta franja depende la visión, la maduración y la fotosíntesis, que en realidad es a comprensión biológica de la energía solar en energía química, los limites energéticos de la fotobiología se sitúan mas o menos entre 100 y 400 KJ/mol de fotones, la longitud de onda, será inferior a 300 nm por que si superan los 400 KJ/mol pueden romper ácidos nucleicos y proteínas.

Las células necesitan convertir energía luminosa en química, las reacciones bioenergéticas se pueden explicar por transferencia de electrones, hay dos tipos de fotosíntesis la oxigenica y la anoxigenica, la primera es la que realizan las plantas, algas y cianobacterias, la segunda se da por bacterias en donde los donadores de electrones, no es la luz, sino compuestos orgánicos e inorgánicos, La fotosíntesis de inicia por la captación de luz por pigmentos fotosintéticos, que se transforma en energía química y es almacenada como eso, después esa energía química se utiliza para la reducción de dióxido de carbono, y después para la síntesis de carbohidratos. La clorofila hace la captación de luz, actúan como pigmentos antena, los pigmentos fotosintéticos están organizados en las membranas biológicas como clorosomas y cromatóforos, en los organismos oxigenicos estos se encuentran en vesículas membranosas llamadas tilacoides, algunos se apilan y forman granas, y se conectan por lamelas,  adentro de los cloroplastos, hay iones que están implicados en el proceso de transporte de electrones, en el mantenimiento de la estructura proteica y en la regulación de fotosistemas como el magnesio, calcio etc.

Hay tres tipos de complejos de la clorofila, el primero es que el complejo colector  está formado de  las antenas de clorofila, y pigmentos, los otros complejos son los fotosistemas I y II que es donde tiene lugar la fotosíntesis, en donde estos últimos están conectados.

La clorofila,  se excita por la luz, absorbe un fotón, y se excita, esta es muy inestable, y puede donar algunos electrones al ambiente en forma de calor, o puede transferirla a otra molécula de pigmento queda la clorofila oxidada y el aceptor reducido, actúa como un potente oxidante que puede aceptar electrones de otra molécula volviendo a su estado estable del principio, asi son transferidos los electrones que son impulsados por la luz.

En plantas superiores actúan dos tipos de fotosistemas que tiene un centro clorofílico  que promueve los saltos de electrones. En general este tipo de fotosíntesis (oxigenica) implica la reducción de ferredoxina con electrones que proceden de agua, el fotosistema II descompone el agua, en la membrana del tilaciode, y la liberación de protones.

En plantas superiores en la primera fase, se produce poder reductor, (NADH) y (ATP) que se utilizan en la segunda para reducir el dióxido de carbono, que su asimilación se da en el estroma de los cloroplastos, en plantas y algas, y en organismos procarioticos, la ruta de asimilación del dióxido de carbóno se da en el ciclo de calvin que tiene 3 fases. Que conducen a una formación de una molécula de gliceraldehido-3-fosfato, a partir de 3 de dióxido de carbono, para lo cual se requieren 6 de NADPH y 9 de ATP.

Hay hay tres variantes del la fotosíntesis C4 que difieren pprincipalmente en la naturaleza del acidode cuatro carbonos transportado a travez de la vaina, y el de tres carbonos que retorna al mesofilo, y en la naturaleza de la enzima que cataliza la descarboxilacion.

En plantas CAM  la dofusion de dióxido de carbono a los tejidos es nocturna,  el primer compuesto que sale  tiene cuatro atomos de carbono y a la luz del dia siguiente ocurre la segunda etapa de las reacciones fotosintéticas que precisa la enzima rubís CO

Bibliografía

Carrillo, L. Fotosíntesis. S.S. Jujuy, 2004 pp: 6-16. 

METABOLISMO DE ENERGIA MITOCONDRIAL Y ENVEJECIMIENTO

Las mitocondria tienen un papel central en el metabolismo energético. Parte de  la energía libre derivada de la oxidación de los alimentos se encuentra dentro
 mitocondrias transformándose en ATP, la moneda energética de la célula. Este proceso depende de oxígeno. Cuando el oxígeno es limitado, los productos se metabolizan directamente en el citosol por tener un efecto menos eficiente.
La producción de ATP mitocondrial se basa en el transporte de electrones integrado por los complejos de la cadena respiratoria I-IV, que transfieren electrones de una manera gradual hasta que se reduce el oxígeno para formar agua. El NADH y FADH2 formados en la glucólisis, oxidación de ácidos grasos y el ciclo del ácido cítrico son moléculas ricas en energía que donan electrones a la CTE.

Los Complejos I, III y IV función como H +  bombas que son impulsadas por la energía libre de oxidación, junto con otras reacciones. Durante la transferencia de electrones, los protones son bombeados siempre desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal

TEORIA DE ENVEJECIMIENTO MITOCONDRIAL

Existe un pequeño porcentaje de los electrones que se fugan de la ETC, en particular de los complejos I y III, durante la respiración normal y antes de tiempo que se reduce el oxígeno, se origina la formación de especies reactivas del oxígeno (ROS).

Se ha demostrado que otras proteínas mitocondriales como el glicerofosfato deshidrogenasa, Cetoglutarato y la piruvato- deshidrogenasa tienen un papel en la producción de ROS. El hecho de que la cadena mitocondrial de transporte de electrones es la mayor productora de ROS se correlaciona con la teoría de los radicales libres. Se ha demostrado que las mitocondrias se hacen más grandes y menos numerosas con la edad, la acumulación de vacuolas, las anomalías en las crestas y las inclusiones intra y paracristalinas mitocondrial hacen que disminuyan las actividades de la cadena, así como el potencial de membrana, en la que depende la producción de ATP, mientras que la cantidad de daño oxidativo a las proteínas y ADN mitocondrial aumentan,

Se ha desarrollado un modelo de ratón que proporcionó pruebas experimentales de un vínculo causal entre las mutaciones del ADNmt  y fenotipos de envejecimiento en los mamíferos. El aumento de las mutaciones somáticas del mtDNA se asocian con una vida útil reducida y el inicio prematuro de los fenotipos relacionados con el envejecimiento tales como pérdida de peso, la reducción de la grasa subcutánea, alopecia, cifosis, osteoporosis, anemia, disminución de la fertilidad y ampliación del corazón
Por otra parte, se ha demostrado que no hay conexión directa entre el aumento de los niveles de las mutaciones del ADNmt y la producción de ROS elevadas.

DESACOPLAR PARA SOBREVIVIR

El consumo de energía limita la longevidad. En otras palabras, la tasa metabólica del organismo determina su vida útil.

Por otro lado, la teoría "desacoplamiento para sobrevivir" propone que el metabolismo de la energía está en una relación positiva con la longevidad.

Debido a que la producción de ROS es altamente dependiente del protón, la pérdida de protones podrían ayudar a limitar el daño oxidativo.

Bibliografía

I. Bratic, A. Trifunovic, Mitochondrial energy metabolism and ageing, Biochim. Biophys. Acta (2010)

LA MITOCONDRIA Y EL CORAZON

INTRODUCCION

Las anomalías en la función y estructura de las mitocondrias se han encontrado cada vez con mayores frecuencias asociadas a enfermedades cardiovasculares, como la miocardiopatía dilatada e hipertrófica, defectos en la conducción cardíaca y muerte súbita, miocardiopatía isquémica y alcohólica y miocarditis. Algunas anomalías mitocondriales pueden tener una base genética (p. ej., los cambios en el ADN mitocondrial [ADNmt], que producen una disfunción de la fosforilación oxidativa, o los defectos en la oxidación de los ácidos grasos debidos a mutaciones específicas del ADN nuclear), mientras que otras de estas anomalías parecen ser debidas a agresiones cardiotóxicas más esporádicas o ambientales, o a causas todavía no identificadas.

Aunque las aberraciones en la función bioenergética de las mitocondrias están frecuentemente relacionadas con la disfunción cardíaca, los defectos específicos que causan la disfunción bioenergética a menudo residen en vías metabólicas no bioenergéticas, por ejemplo, en las vías de señalización entre las mitocondrias y el núcleo, o en el conjunto de la biogénesis mitocondrial y/o las vías de degradación. La comprensión de estas vías y el impacto que tienen los defectos mitocondriales en las enfermedades cardíacas es importante para mejorar el diagnóstico y el tratamiento de las afecciones cardíacas de causa mitocondrial.

LAS MITOCONDRIAS Y EL CORAZÓN NORMAL

Bioenergética mitocondrial

La producción energética mitocondrial depende de factores genéticos codificados por el núcleo y por el ADNmt, que modulan la función mitocondrial normal, incluyendo la actividad enzimática y la disponibilidad de cofactores, y de factores ambientales como la disponibilidad de combustibles (p. ej., azúcares, grasas y proteínas) y oxígeno. Diversas vías bioenergéticas interaccionan contribuyendo al metabolismo energético mitocondrial, como la oxidación del piruvato, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos y la vía final común de la fosforilación oxidativa que genera el 80-90% del ATP celular.

Los ácidos grasos son el principal sustrato energético para la producción de ATP en el músculo cardíaco a partir de la fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos deben ser transportados de forma efectiva al interior del cardiomiocito primero, y luego al interior de la mitocondria para poder ser utilizados en la producción bioenergética a través de la betaoxidación mitocondrial, y este proceso de transporte requiere diversas proteínas que forman parte del transportador de carnitina (la aciltransferasa de carnitina y dos palmitoiltransferasas de carnitina, así como la carnitina). La betaoxidación de los ácidos grasos y la oxidación de los hidratos de carbono a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos genera la mayor parte del NADH y FADH intramitocondriales, que son la fuente directa de electrones para la cadena de transporte respiratoria.

El aporte de ATP a partir de otras fuentes es limitado en el tejido cardíaco normal. Además de las vías bioenergéticas y de los intermediarios metabólicos, el corazón contiene también fosfatos de alta energía (p. ej., la fosfocreatina)

producida por la creatincinasa mitocondrial a partir del ATP de la translocasa de nucleótidos de adenina estrechamente relacionada y de la sintasa de ATP mitocondrial.

Cambios mitocondriales cardíacos durante el crecimiento y el desarrollo del corazón

En el corazón fetal, que funciona en un ambiente relativamente hipóxico, la glucosa y el lactato son los principales sustratos energéticos utilizados por la glucólisis y la oxidación del lactato, respectivamente. El gran aporte de glucógeno que existe en el corazón fetal y, en menor medida, en el corazón neonatal, constituye una fuente significativa de glucosa y ATP en el miocardio. La glucogenólisis es particularmente importante en situaciones de deprivación de oxígeno, y puede hacer que el corazón fetal sea más resistente a los efectos de la hipoxia y la isquemia que el corazón adulto.

En el período posnatal se produce un cambio, de manera que los ácidos grasos se convierten en el principal sustrato energético del corazón. La expresión de genes que codifican enzimas de ácidos grasos experimenta un cambio.

Una de las consecuencias derivadas de la producción bioenergética mitocondrial es la generación de radicales libres del oxígeno, como los radicales de superóxido e hidroxilo y el peróxido de hidrógeno (H2O2). El anión superóxido se genera directamente como consecuencia de las reacciones colaterales de la cadena de transporte electrónico con el oxígeno. Los lugares principales de generación de radicales libres del oxígeno en la mitocondria son los complejos I y III de la cadena respiratoria; tanto un exceso como una disminución del flujo de electrones en estos puntos puede estimular la autooxidación de las flavinas y las quinonas (incluida la coenzima Q), produciendo radicales superóxido. Éstos pueden convertirse en H2O2 (en presencia de la superóxido dismutasa) que, a su vez, puede reaccionar para formar radicales de hidroxilo.

Cambios mitocondriales cardíacos durante el envejecimiento y la senescencia

Entre los múltiples cambios metabólicos que tienen lugar en el músculo cardíaco en la edad avanzada se encuentran las modificaciones en la composición de ácidos grasos y lípidos de la membrana como, por ejemplo, un aumento de los valores de ácidos grasos saturados14 y una reducción de las concentraciones de ácidos grasos poliinsaturados15 y de cardiolipina16. La cardiolipina, que es el fosfolípido insaturado celular más abundante, es el principal componente de la membrana mitocondrial interna, y desempeña un papel integral en la función de transporte de la membrana mitocondrial cardíaca, en su fluidez y estabilidad, además de facilitar la función de las enzimas bioenergéticas que se encuentran en la membrana.

Con el envejecimiento también se produce un aumento de la tasa de deleciones a gran escala y de mutaciones  puntuales del ADNmt cardíaco, y una reducción de las actividades enzimáticas mitocondriales.

DISFUNCIÓN MITOCONDRIAL EN LAS ENFERMEDADES CARDIOVASCULARES

ADNmt y enfermedad cardiovascular

En las miocardiopatías se han documentado defectos discretos de la fosforilación oxidativa mitocondrial o deficiencias en la cadena respiratoria. Tanto la miocardiopatía dilatada como la hipertrófica se encuentran acompañadas frecuentemente por niveles defectuosos de las actividades enzimáticas de la fosforilación oxidativa y la cadena respiratoria. Las miocardiopatías (sobre todo la hipertrófica) se asocian a menudo a mutaciones puntuales patogénicas específicas del ADNmt. Se han identificado mutaciones patogénicas de ADNmt en varios genes de ARNt mitocondriales que están asociadas a miocardiopatías. Algunos genes específicos de ARNt, como el LEU, el ILE y el LYS, parecen ser zonas calientes de mutación en pacientes con miocardiopatías. El lugar donde se producen las mutaciones dentro de la estructura en hoja de trébol del ARNt genérico puede tener un gran impacto sobre la severidad del fenotipo y, posiblemente, sobre su especificidad tisular37. En general, las mutaciones patogénicas de ARNt mitocondrial afectan negativamente a la síntesis proteica de las mitocondrias y la actividad de múltiples enzimas respiratorias.

Defectos en proteínas mitocondriales codificadas por ADN nuclear y enfermedad cardiovascular

Las mutaciones en un amplio grupo de genes nucleares que codifican proteínas mitocondriales pueden causar miocardiopatías. Por ejemplo, una miocardiopatía es a menudo una consecuencia de mutaciones en proteínas transportadoras mitocondriales (p. ej., la translocasa de la carnitina-acilcarnitina) que facilitan el paso de metabolitos críticos a través de la membrana mitocondrial interna59, y también de mutaciones en la frataxina, una proteína de transporte mitocondrial implicada en la acumulación mitocondrial de hierro que causa la ataxia de Friedreich (a menudo se presenta con miocardiopatía hipertrófica). También se han implicado en algunas enfermedades de base mitocondrial, como el síndrome de Leigh, algunas mutaciones de genes nucleares que codifican factores necesarios para el ensamblaje y el funcionamiento de las múltiples subunidades que conforman los complejos enzimáticos respiratorios. En este sentido, las mutaciones en el gen SCO2 que codifica una chaperona de cobre involucrada en el ensamblaje del complejo IV (COX), pueden dar lugar a una miocardiopatía61. Es interesante señalar que el fenotipo clínico en pacientes con mutaciones en SCO2 es distinto del que se ha encontrado en otras mutaciones que afectan a otros factores del  ensamblaje de COX (p. ej., el SURF1), que normalmente se presentan sin afección cardíaca.

Las mutaciones específicas del ADN nuclear que afectan a proteínas estructuales y contráctiles, como la actina, la desmina, el sarcoglicano y la distrofina, han sido identificadas como agentes causales en muchos casos de miocardiopatía dilatada e insuficiencia cardíaca. De la misma forma, algunos casos de miocardiopatía hipertrófica familiar son debidos a mutaciones patogénicas concretas de proteínas cardíacas implicadas en la generación de la fuerza contráctil, como la cadena pesada de la betamiosina, la troponina T, la tropomiosina y la proteína C que se une a la miosina.

Isquemia miocárdica

Cuando el suplemento de oxígeno es limitado, como ocurre durante la isquemia miocárdica, la fosforilación oxidativa y el flujo del transporte electrónico declinan, se produce una depleción rápida de las reservas de creatina fosfato, disminuye la oxidación del piruvato y de los ácidos grasos y se deteriora la producción de ATP.

La hidrólisis del ATP derivado de la glucólisis y la acumulación de lactato conducen a una disminución del pH intracelular y al desarrollo de acidosis intracelular, lo que ejerce un efecto inhibitorio directo sobre la función contráctil. El AMP y otros metabolitos se acumulan, y esto da lugar a la aparición de edema mitocondrial y degeneración progresiva. Además, la isquemia miocárdica produce una disminución de los valores de los complejos respiratorios IV y V y un aumento de las deleciones de ADNmt81. La isquemia sostenida acaba por producir depleción de ATP y muerte celular necrótica.

Existe un mecanismo cardioprotector de autodefensa en el corazón isquémico que implica la apertura de unos canales mitocondriales de K+ sensibles al ATP. Este efecto cardioprotector puede estar mediado por una mejoría de la producción de ATP, por una disminución de la sobrecarga de Ca2+ en la matriz mitocondrial y por un aumento de la generación de radicales libres del oxígeno, que dan lugar a una activación de la proteincinasa C. Se dispone de varios fármacos que funcionan activando específicamente la apertura de los canales de K+ mitocondriales como, por ejemplo, el diazóxido. Existen evidencias en humanos que demuestran que los canales de K+ mitocondriales son los efectores del precondicionamiento.

Apoptosis y muerte celular en la enfermedad cardíaca

En la vía mitocondrial de la apoptosis, la liberación desde la mitocondria al citosol de proteínas proapoptósicas, citocromo C y factor inductor de apoptosis (AIF) es un hecho crucial en la puesta en marcha de la subsiguiente cascada de cambios citoplasmáticos, incluida la activación de las cisteína-aspartato proteasas (caspasas) y las endonucleasas nucleares que desencadenan la muerte celular86,87. La liberación de péptidos mitocondriales se encuentra facilitada por la apertura de un megacanal, el poro de transición de permeabilidad mitocondrial (PTP), un complejo multiproteico dinámico localizado en los puntos de contacto entre la membrana interna y la membrana externa, que se activa por la unión de proteínas proapoptósicas como la Bax (fig. 3). La proteína antiapoptósica Bcl2 (una proteína mitocondrial) previene la asociación de Bax con el PTP e interfiere con la liberación de péptidos proapoptósicos desde la mitocondria (p. ej., el citocromo C y el AIF). Evidencias recientes han establecido que la apertura del PTP es un eslabón temprano crítico de la apoptosis que precede a la cascada de caspasas. La apertura del PTP está promovida por el influjo de Ca2+ hacia la mitocondria y por la producción excesiva de radicales libres del oxígeno en la mitocondria. Existen otros segundos mensajeros proapoptósicos, como los prooxidantes y el óxido nítrico, que también inducen la apertura del PTP. Además de su implicación en la muerte celular apoptósica, la apertura del PTP se ha relacionado con la muerte celular clínica de cardiomiocitos inducida por las excitotoxinas (como el glutamato), así como en la muerte celular necrótica que tiene lugar durante la anoxia y la isquemia.

Es importante señalar que la desenergización mitocondrial completa no favorece el desarrollo de apoptosis, sino más bien el de necrosis. No debería sorprendernos que los acontecimientos iniciales de la apoptosis incluyan la modulación de los valores de ATP, dada la estrecha proximidad que hay entre el PTP y los complejos respiratorios en la membrana mitocondrial interna, así como su implicación en la pérdida de citocromo C, una molécula crítica de la cadena de transporte electrónico. En el lugar del PTP está presente también un gran número de moléculas mitocondriales asociadas a energía, como el intercambiador de nucleótidos de adenina, la enzima glucolítica hexocinasa, el canal de aniones dependiente de voltaje de la membrana externa (VDAC o porina), la creatincinasa mitocondrial y la cardiolipina.


Bibliografía

Marín-García. J, Goldenthal. M. La mitocondria y el corazón. Rev Esp Cardiol 2002;55(12):1293-310

LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGIA

Los compuestos de fosfato son la materia biológica común de intercambio de energía y el trifosfato de adenosina (ATP) es el portador de energía más importante de la célula. Un grupo de enzimas conocidas como ATPasas pueden convertir la energía derivada de hidrólisis del ATP en el trabajo (contracción muscular), el transporte de iónes (Ca2+-ATPasa, Na++K+-ATPasa) o aún la producción de luz (luciferasa de las luciérnagas).

No toda la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato es convertida en trabajo por las enzimas; una parte significativa de la energía total se disipa en el ambiente circundante como calor.

La energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si se encuentra en solución o en la superficie de la enzima. Para las enzimas implicadas en la transducción de energía, la energía utilizada para realizar trabajo está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. Las ATPasas pueden modular la conversión de la energía durante el ciclo catalítico, determinando la fracción de la energía derivada del compuesto de fosfato que será convertida en trabajo y la fracción que se convertirá en calor.

Los compuestos de fosfato de alta y baja energía

El concepto inicial

Lipmann propuso lo siguiente:

-La energía que se deriva de hidrólisis de un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula. El enlace de N-P del fosfato de creatina, el fosfato del enol del fosfoenolpiruvato, las uniones fosfoanhídrido del ATP y de PPi, y el enlace del acilfosfato del aspartil fosfato eran enlaces de fosfato ricos en energía típicos.

-Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrían una constante de equilibrio baja para la hidrólisis. En este sentido, los fosfoésteres tales como la glucosa-6-fosfato y el glicerol fosfato son compuestos de fosfato típicos de baja energía.

-Se pensaba que la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra, dependía solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos. Así, el fosfato gama del ATP se puede transferir a una molécula de glucosa formando glucosa-6-fosfato, pero en condiciones fisiológicas, la reacción reversa no sería posible a menos que energía adicional fuera proporcionada al sistema. Entonces la única manera de regenerar cualquier molécula de ATP hidrolizado en la célula sería invertir compuestos de fosfato de energía igual mayor que el propio ATP, tal como por ejemplo la creatina.

En base a las formulaciones anteriormente descritas, se pensaba que la secuencia de eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los siguientes pasos:

La enzima une al ATP

El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento  exacto de la ruptura del enlace de fosfato.

La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar trabajo. Para la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi, la secuencia de eventos sería igual, pero en orden inverso;

La enzima ahora uniría al ADP y al Pi

Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria dirigir la síntesis del ATP

Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.

Así se pensaba que la elevada constante de equilibrio (Keq) para la hidrólisis del PPi  (PPi) y del ATP, estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia de oposición del enlace P-O-P.

La carga negativa de cualquier lado del enlace se rechazaría, creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad a lo largo del esqueleto.

Consecuentemente, sería fácil romper la molécula y difícil mantener unidos a los productos de la reacción hidrolítica. La combinación de estos dos factores sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis de los enlaces del fosfoanhídrido del ATP o de PPi.

Nuevos conceptos- aproximación teórica

En 1970 y George colaboradores [6], concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. Por lo tanto se esperaría que las moléculas de agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión electrostática, y además, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando de esta forma los puntos débiles generados a lo largo de la esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.

La energía de solvatación es la cantidad de energía necesaria para remover a las moléculas de solvente que se organizan alrededor de una sustancia en solución. Mientras más solvatada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solvatada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos. En este sentido, la Keq de una reacción es alta cuando los productos están más solvatados que los reactivos.

Cuantificaciones experimentales

La estrategia adoptada fue medir la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. De acuerdo con la propuesta de la teoría de solvatación, encontramos que un cambio discreto de la actividad de agua es suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis del PPi. En medio totalmente acuoso, el PPi se comporta como compuesto de alta energía cuando se compara con la glucosa 6-fosfato, pero en un ambiente hidrofóbico (Wa = 0.5) la glucosa-6-fosfato se convierte en un compuesto de fosfato con una energía de hidrólisis más alta que el PPi.

PPi de alta y baja energía

Los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas R. rubrum contienen una enzima pirofosfatasa inorgánica membranal, que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana de los cromatóforos iluminados. Cuando la luz se apaga (en oscuridad), el PPi sintetizado previamente es metabolizado por la enzima antes mencionada.

Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las enzimas

La energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si están en solución o unidos a la enzima. Las reacciones que se pensaban prácticamente irreversibles en solución acuosa, ocurren espontáneamente cuando los reactivos están unidos a la enzima.

Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato.

La secuencia de eventos para la transducción de energía en ATPasas de transporte o actomiosina son como sigue:

(a) La enzima une al ATP u otros compuestos de fosfato;

(b) La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Esto es acompañado por una disminución del nivel de energía del compuesto de fosfato;

(c) El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian de la enzima en un proceso que implica un cambio de energía relativamente pequeño.

En el proceso inverso, los compuestos de fosfato tales como ATP, PPi y el residuo de  acilfosfato se sintetizan en el ambiente hidrofóbico del sitio catalítico de la enzima sin necesidad de energía, es decir, la energía se necesita entonces para la conversión del compuesto de fosfato de ““baja energía”” en un compuesto de "alta energía". Esta conversión estaría acompañada por una transición hidrofóbica (Wa bajo) - hidrofílica (Wa alto) en el sitio catalítico de la enzima. La síntesis de ATP y de PPi por la ATP sintasa mitocondrial, involucra un cambio conformacional de la proteína que permite la disociación del ATP y de PPi en el medio hidrofílico del ensayo. Para las ATPasas de transporte tales como la Ca2+-ATPasa, la transición hidrofóbica-hidrofílica ocurre en el sitio catalítico. La información disponible actualmente sobre la estructura de las ATPasas de transporte indica que el trabajo se realiza en una región de la estructura terciaria de la proteína distante a aquella donde se localiza el sitio catalítico y que los cambios conformacionales de la proteína sincronizan la secuencia de evento que ocurren en estas dos regiones.

Transducción energética y producción de calor en las ATPasas de transporte

En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis del ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado se utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta.

Se encontró recientemente que algunas enzimas pueden manejar la energía derivada de hidrólisis del ATP de tal manera que determinan cuánta energía se utiliza para el trabajo y cuánta se disipa como calor. En este sentido, la cantidad total de energía liberada durante la hidrólisis del ATP es siempre igual, pero la fracción de la energía total que se convierte en trabajo o calor se modula por la enzima. Esto fue demostrado originalmente para la Ca2+-ATPasa del retículo sarcoplásmico y más adelante para la hexoquinasa y pirofosfatasas de plantas.

Para la Ca2+-ATPasa se encontró que la cantidad de calor liberada durante la hidrólisis del ATP varía dependiendo de si el residuo de acilfosfato formado a partir del ATP es hidrolizado antes o después de su transformación de "alto" a "bajo" contenido de energía.


Bibliografía
Meis and Gutemberg G. Alves. LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA. Mensaje Bioquímico, Vol XXVIII. Depto Bioquímica, Fac Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd Universitaria, México, DF, MÉXICO. (2004).

TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES

La transducción de señales a nivel celular se refiere al movimiento de señales desde fuera de la célula a su interior. El movimiento de señales puede ser simple, como el asociado a las moléculas del receptor de la acetilcolina: receptores que se constituyen en canales los cuales, luego de su interacción con el ligando, permiten que las señales pasen bajo la forma movimiento de iones al interior de la célula. Este movimiento de iones da lugar a cambios en el potencial eléctrico de las células que, a su vez, propaga la señal a lo largo de ésta. Una transducción de señal más compleja involucra el acoplamiento del ligando y su receptor a muchos eventos intracelulares. Estos eventos incluyen fosforilaciones por cinasas de tirosina y/o cinasas de serina/ treonina. Las fosforilaciones de las proteínas cambian sus actividades enzimáticas y las conformaciones de las proteínas. El resultado eventual es una alteración en actividad celular y cambia en el programa de los genes que se expresan dentro de las células.

Los receptores de transducción de señales son de tres clases generales:

1. Receptores que atraviesan la membrana de plasmática y tienen actividad enzimática intrínseca. Los receptores que tienen actividad enzimática intrínseca incluyen a aquellos que son cinasas de tirosina (ge. PDGF, insulina, los receptores de EGF y de FGF), fosfatasas de tirosina (ge. proteína CD45 de las células de T y de los macrófagos), guanilato ciclasas (ge. receptores del péptido natriurético) y cinasas de serina/ treonina (ge. activina y los receptores de TGF-β). Los receptores con actividad intrínseca de cinasa de tirosina son capaces del auto fosforilación así como de fosforilar a otros substratos. Además, varias familias de receptores carecen actividad enzimática intrínseca, sin embargo están asociados con cinasas de tirosina intracelulares mediante interacciones directas proteína-proteína (véase abajo).

2. Receptores que están asociados, dentro de la célula, a las proteínas G (que se unen e hidrolizan al GTP). Los receptores que interactúan con las proteínas-G tienen una estructura que se característica porque atraviesa la membrana celular 7 veces, por o que estos receptores tienen 7 dominios transmembrana. Estos receptores se llaman receptores serpentina. Ejemplos de esta clase son los receptores adrenérgicos, receptores del olor, y ciertos receptores hormonas (ge. glucagón, angiotensina, vasopresina y bradicinina).

3. Receptores que están dentro de la célula y que luego de su unión con respectivo ligando migran al núcleo en donde el complejo ligante-receptor afectan directamente la trascripción de genes.

Las respuestas desencadenadas por las señales de transducción incluyen la regulación de la expresión genética como la activación de genes, la regulación de una vía metabólica como la producción de energía por medio del metabolismo y la locomoción celular por medio de cambios en el citoesqueleto.

La activación de genes provoca muchos efectos, desde la expresión de genes en proteínas, muchas de las cuales son enzimas, factores de transcripción u otras proteínas reguladoras de la actividad metabólica. Debido a que los factores de transcripción pueden activar aún más genes, un estímulo inicial puede activar a través de la transducción de señales la expresión de una gama entera de genes y una gran diversidad de eventos fisiológicos. Tal conjunto de activación a menudo se llama programa genético. U== Respuestas celulares == Las respuestas desencadenadas por las señales de transducción incluyen la regulación de la expresión genética como la activación de genes, la regulación de una vía metabólica como la producción de energía por medio del metabolismo y la locomoción celular por medio de cambios en el citoesqueleto.

La activación de genes provoca muchos efectos, desde la expresión de genes en proteínas, muchas de las cuales son enzimas, factores de transcripción u otras proteínas reguladoras de la actividad metabólica. Debido a que los factores de transcripción pueden activar aún más genes, un estímulo inicial puede activar a través de la transducción de señales la expresión de una gama entera de genes y una gran diversidad de eventos fisiológicos.

 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://themedicalbiochemistrypage.org/spanish/signal-transduction-sp.html#top
http://cgmp.blauplanet.com/es-transd.html

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA

Permeabilidad

El paso de un soluto de un lado de una membrana al otro requiere de al menos cinco etapas: 1) Difusión del soluto en el medio acuoso, 2) Solubilización en la membrana, 3) Difusión en la bicapa, 4) Solubilización en el agua y 5) Difusión en el agua. La etapa más lenta (limitante) es la difusión en la bicapa y por lo tanto la velocidad de transporte medida experimentalmente debe corresponder a la velocidad de difusión en la bicapa.

Para aplicar la ley de Fick al caso del transporte en membranas, supongamos un soluto que pasa a través de una bicapa de espesor "d" y área "A", desde un compartimiento en el que se encuentra a una concentración C1 hacia otro en el que se encuentra a una concentración C2.

La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:
la porosidad del material;
la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura;
la presión a que está sometido el fluido.

Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material.

POTENCIAL DE MEMBRANA

El potencial de acción responde a la ley de todo o nada, el potencial para que tenga lugar necesita de un estímulo liminal que llegue al punto crítico de dispara de esa célula.
a) Despolarización lenta. -70 mv hasta -55 mv
b) Despolarización rápida. - 55 mV hasta +35 mV.
c) Repolarización rápida. + 35 mv 2/3 del descenso
d) Repolarización lenta (hasta - 70 mV) e) Hiperpolarización. -70 mV hasta - 75 mV.
El potencial de acción se produce o no siendo igual. No se produce si el estímulo no alcanza el punto crítico de la célula, y si se supera si que hay potencial. La ley se cumple para fibras aisladas, para una fibra única, pero no se cumple cuando existen múltiples fibras nerviosas (axones).

SISTEMAS DE TRANSPORTE

LOS CANALES
Como se pretende mostrar en la figura, hay sistemas de transporte que se imaginan como canales o poros. No se conoce el mecanismo preciso del funcionamiento de ninguno de ellos; sin embargo, a través de su función se ha llegado a un modelo imaginario. El poro o canal es más que nada la conceptualización de un sistema rápido de transporte; es más fácil imaginar el movimiento rápido como flujo a través de un túnel, que por un mecanismo de acarreo más complicado. La idea del poro está representada en el diagrama de la figura; y se piensa que debe tener antes que nada una especie de entrada o filtro capaz de discriminar o escoger entre distintas sustancias o iones. Por ejemplo, hay poros que pueden distinguir fácilmente el Na+ y K+ a pesar de su semejanza, pero que difieren por el tamaño. Otra de las características importantes de los poros es la existencia de una especie de "compuertas" o dispositivos que les permiten abrir y cerrarse al paso de los iones.


LOS ACARREADORES MÓVILES
En el caso de sistemas de transporte más lento, se ha imaginado que se trata de moléculas de proteína que situadas en la membrana cuentan con un sitio capaz de reconocer a las sustancias que han de transportar, de manera semejante como las enzimas tienen un sitio activo en el que se coloca el sustrato que van a modificar. En este sentido no habría diferencia con los poros. Sin embargo, como se muestra en la figura, el sistema del paso de los iones de un lado al otro sería diferente; sin que se conozca el mecanismo íntimo, se piensa que, o bien la molécula de la vuelta y el sitio activo que estaba hacia un lado de la membrana se desplaza al otro, o bien el ion u otra sustancia es movido al otro lado por movimíentos peristálticos, semejantes a los del intestino, "exprimiendo" a la sustancia transportada hacia el otro lado. El único hecho real que hay es que estos sistemas de transporte son mucho más lentos que los canales o poros.


CUANTIFICACIÓN DEL TRANSPORTE
El grado de especialización de los sistemas de transporte de las células ha llegado a ser tan grande en algunos casos, que durante su evolución se le pudo adaptar para funciones de gran importancia como la transmisión nerviosa. En otros casos, como se describe en el capítulo siguiente, la clara relación entre la energía y el transporte llevó, por un lado, a la existencia de sistemas de transporte capaces de aprovechar la energía metabólica para tomar del medio sustancias que se encuentran en concentraciones bajas, pero también fue a través de los sistemas de transporte modificados que se pudieron diseñar sistemas para la conversión de la energía en formas directamente aprovechables por las células.

También sucede que muchos receptores en las células pueden verse como sistemas de transporte capaces de reconocer a ciertas moléculas, algunas con gran afinidad y especificidad. De esta forma, puede pensarse que las células y los organismos modificaron sus sistemas originales de transporte para dar lugar a los receptores y contar con la posibilidad de comunicarse entre sí y de ahí diseñar sistemas de control.

El sistema nervioso mismo reconoce como base un complicadísimo sistema de intercomunicación de las neuronas, pero que en último análisis tiene fundamentalmente la participación de un enorme número y tipo de sistemas de transporte y receptores.

Hay inclusive un tipo especial de receptores que son capaces de detectar la presencia de moléculas disueltas o volátiles y que se encuentran en células especializadas. Éstas son las células receptoras de los órganos de los sentidos; el olfato y el gusto también pueden considerarse resultado de la evolución de los sistemas de transporte, en los que la modificación de los antiguos acarreadores permitió desarrollar estas capacidades que en los animales han llegado a ser tan importantes.

 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/796512

http://www.kennedy.edu.ar/Deptos/Biopsicologia/biohuma_biopsi.htm