Indice1. 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