BIOENERGÉTICA MITOCONDRIAL
Hipótesis quimiosmótica y potencial electroquímico de protón
A principios de la década de 1960, P. Mitchell (Mitchell ,1961) propuso que la síntesis de ATP se llevaba a cabo a través de un mecanismo que se conoce cono hipótesis quimiosmótica. En sus inicios la propuesta se recibió con escepticismo, pero como se fueron acumulando datos experimentales, la hipótesis llegó a convertirse en el dogma central de la bioenergética.
Los principios de la hipótesis se aplican tanto a la transducción de energía en mitocondrias, como a aquella que ocurre en organismos fotosintéticos y en la membrana plasmática de bacterias, estructuras celulares en las que también hay cadenas de transporte de electrones y ATP sintasas.
En la hipótesis quimiosmótica se visualiza que el transporte de electrones da origen a la formación de una fuerza protomotriz (en la terminología de Mitchell), o un gradiente de H+ , que es una forma de energía. Siguiendo a Mitchell, la energía del gradiente de H+ la capta y utiliza la ATP sintasa para formar ATP. En otras palabras, la fuerza protomotriz es el intermediario por el cual la energía de óxido-reducción de la cadena respiratoria se transforma en la energía del ATP.
La síntesis de ATP en el cloroplasto se explica mediante la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, de forma muy semejante como ocurre en la mitocondria. El transporte de electrones en la cadena transportadora de la membrana tilacoidal produce el bombeo de protones desde el estroma hacia el espacio tilacoidal a nivel del complejo citocromo b6 - f , lo que genera un gradiente electroquímico. El flujo de protones a favor del gradiente desde el espacio tilacoidal hasta el estroma, a través del canal de protones de la ATP - sintasa, activa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.
Estructura y función de la cadena respiratoria
Dentro de las reacciones que se producen en los sistemas vivos, un gran número de ellas son proceso de oxidación o de reducción: La respiración, oxidaciones anaerobias, fermentaciones, fotosíntesis, reducción del sulfato o del nitrato, desnitritrificación, fijación del nitrógeno, etc.
La mitocondria está constituida por cuatro regiones: las membranas internas y externas del espacio intermembranal y la matriz. La membrana interior se encuentra muy plegada formando crestas, lo cual aumenta considerablemente su superficie. Debido a que las proteínas respiratorias están soportadas en las membranas internas, la densidad de las crestas se correlaciona con la actividad respiratoria de la célula. Por ejemplo, las células del músculo cardiaco, las cuales tienen índices altos de respiración, contienen crestas densamente empacadas. Por el contrario, las células del hígado poseen crestas mucho mas separadas, pues presentan una menor tasa de respiración.
Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP
Actualmente, se acepta como modelo para la síntesis de ATP el modelo de acoplamiento quimio-osmótico propuesto en 1961, por el bioquímico británico Peter Mitchell.
De una manera general, el modelo propone que la energía proveniente del transporte de electrones se utiliza en un transporte activo de protones de la matriz de la mitocondria, o sea que este transporte saca protones de la matriz. Esta acción origina un gradiente electroquímico de protones, con un pH inferior en la parte externa de la membrana interna. Los protones en la parte externa, tienen la tendencia termodinámica de regresar e igualar el pH en ambos lados de la membrana. En otras palabras, la energía generada se utiliza para mantener el gradiente de protones. Peter Mitchell recibió el premio Nobel en 1978 por sus logros científicos.
Inhibidores y desacoplantes
La energía química útil para la realización de las actividades celulares está asociada al metabolismo del ATP, se desprende de su hidrólisis y se genera a partir del metabolismo oxidativo (NADH) para la re-fosforilación 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 volumen constante
Un método tradicionalmente utilizado para la medición de la tasa de consumo de oxígeno a volumen constante es el método de Warburg, que básicamente consiste en un recipiente con la muestra biológica, unido a un manómetro Durante la medición, las conexiones externas del recipiente mencionado permanecen cerradas, registrándose el cambio de presión en el manómetro (por la diferencia en la altura del líquido manométrico en ambas ramas del manómetro). Una versión aún utilizada de este método esta dado por el sistema de respirómetros múltiples ideado por Gilson en el cuál la diferencia de presión producida durante la medición se mide sobre una perilla micrométrica luego de restituir la altura de la columna de líquido manométrico a su valor original. En todos los casos el CO2 es fijado en medio alcalino (hidróxido de sodio concentrado, o similar).
Un método tradicionalmente utilizado para la medición de la tasa de consumo de oxígeno a volumen constante es el método de Warburg, que básicamente consiste en un recipiente con la muestra biológica, unido a un manómetro Durante la medición, las conexiones externas del recipiente mencionado permanecen cerradas, registrándose el cambio de presión en el manómetro (por la diferencia en la altura del líquido manométrico en ambas ramas del manómetro). Una versión aún utilizada de este método esta dado por el sistema de respirómetros múltiples ideado por Gilson en el cuál la diferencia de presión producida durante la medición se mide sobre una perilla micrométrica luego de restituir la altura de la columna de líquido manométrico a su valor original. En todos los casos el CO2 es fijado en medio alcalino (hidróxido de sodio concentrado, o similar).
La tasa de consumo de oxígeno se calcula luego como la pendiente de la regresión de los µl O2 remanentes en cada respirómetro en función del tiempo De esta manera la tasa de consumo queda expresada, por ejemplo, en µl O2/min . Es necesario multiplicar luego la pendiente obtenida de la regresión µl O2 versus tiempo por –1.
Genoma mitocondrial y enfermedades relacionadas
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. 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
- Convulciones
- Retraso en el Desarrollo o Regresión (incluyendo demencia temprana o episodios tardíos)
- Mioclono
- Desórdenes de Movimiento (distonia, disquinesias, corea, etc.)
- Migraña Complicada
- Infartos
- Neuropatía
- Defectos en los Conductos Cardiacos
- Cardiomiopatías
- Deficiencias en la Audición
- Estatura corta
- Desórdenes de Músculos Extraoculares
- tosis
- estrabismo adquirido
- oftalmoplegia
- Diabetes
- Enfermedad Renal Tubular
- Pérdida de la Visión
- retinitis pigmentosa
- atrofia óptica
- Acidosis láctica (puede ser leve)
Problemas Asociados a las Citopatías Mitocondriales | |
SISTEMA DE ÓRGANOS | PROBLEMAS POSIBLES |
Cerebro | Retraso en el desarrollo, retardo mental, demencia, convulsiones, desórdenes neuro-psiquiátricos, paralsis cerebral atípica, migrañas, infartos |
Nervios | Debilidad (que puede ser intermitente), dolor neuropático, ausencia de reflejos, problemas gastrointestinales (reflujo gastroesofágeo, vaciado gástrico retrasado, constipación, pseudo obstrucción), desmayos, ausencia o exceso de sudor relacionados con problemas de regulación de la temperatura |
Músculos | Debilidad, hipotonia, calambres, dolor muscular |
Riñones | Desgaste proximal renal tubular que provoca pérdida de proteínas, magnesio, fósforo, calcio y otros electrolitos |
Corazón | Defectos en los conductos cardiacos (bloqueos del corazón), cardiomiopatía |
Hígado | Hipoglicemia (niveles de azúcar bajos en la sangre), falla del hígado |
Ojos | Pérdida de visión y ceguera |
Oídos | Pérdida auditiva y sordera |
Páncreas | Diabetes y falla pancreatítica exocrina (incapacidad para generar encimas digestivas) |
Sistémico | Incapacidad para subir de peso, corta estatura, fatiga, problemas respiratorios incluyendo sofocamientos intermitentes |
Hay gran número de enfermedades mitocondriales listadas en el sitio web de la United Mitochondrial Disease Foundation. Algunas de éstas tienen varios efectos visuales y de pérdida auditiva asociadas. Algunas de las que se nombran incluyen:
Enfermedad de Alpers
Nombre completo: Poliodistrofia Infantil Progresiva
Síntomas: convulsiones, demencia, espaticidad, ceguera, disfunción del hígado y degeneración cerebral.
Deficiencia del Complejo I
Nombre completo: Deficiencia NADH dehidrogenasa (NADH-Co! Reductasa)
Síntomas: Tres formas principales:
- Desorden fatal infantil multisistémico, caracterizado por un retraso en el desarrollo, debilidad muscular, enfermedad cardiaca, acidosis láctica congénita y paro respiratorio.
- Miopatía que inicia en la infancia o en la vida adulta, manifestándose como intolerancia al ejercicio o debilidad. Es común la elevación del ácido láctico.
- Encefalomiopatía mitocondrial (incluyendo MELAS), que puede comenzar en la infancia o en la edad adulta y que consiste en combinaciones variables de síntomas y signos, incluyendo oftalmoplegia, convulsiones, demencia, ataxia, pérdida auditiva, retinopatía pigmentosa, neuropatía sensorial y movimientos incontrolables. Puede provocar el Síndrome de Leigh.
Deficiencia del Complejo III
Nombre completo: Deficiencia ubiquinona-citocroma c óxidoreductasa
Síntomas: Cuatro formas principales:
- Encefalomiopatía mortal infantil, acidosis láctica congénita, hipotonia, postura distrófica, convulsiones y coma. Es común la fibrosis roja.
- Encefalomiopatía de brotes posteriores (desde la infancia hasta la edad adulta): varias combinaciones de debilidad, estatura corta, ataxia, demencia, pérdida auditiva, neuropatía sensorial, retinopatía pigmentosa y síntomas piramidales. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.
- Miopatía, con intolerancia al ejercicio que deviene en debilidad continua. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.
- Cardiomiopatía histiocitoide infantil.
Deficiencia del Complejo IV / Deficiencia COX
Nombre completo: La deficiencia citocroma c óxidoreductasa es ocasionada por un defecto en el Complejo IV de la cadena respiratoria.
Síntomas: Dos formas principales:
- Encefalomiopatía: normal durante los primeros 6 a 12 meses de vida; después presenta regresión en el desarrollo, ataxia, acidosis láctica, atrofia óptica, oftalmoplegia, nistagmus, distonia, signos piramidales y problemas respiratorios. Frecuentes convulsiones Puede provocar el Síndrome de Leigh.
- Miopatía: dos variantes principales:
- Miopatía infantil mortal: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, paro respiratorio y problemas de riñón.
- Miopatía infantil benigna: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, falla respiratoria, pero (si el niño sobrevive) le sigue un mejoramiento espontáneo.
CPEO
Nombre completo: Síndrome de Oftalmoplegia Externa Crónica Progresiva.
Síntomas: Similares a los del KSS más: miopatía visual, retinitis pigmentosa, disfunción del sistema nervioso central.
KSS
Nombre completo: Síndrome Kearns-Sayre.
Síntomas: Oftalmoplegia externa progresiva, retinopatía pigmentaria, bloqueo del corazón y elevada proteína cerebroespinal.
LCHAD
Nombre completo: Dehidrogenasa de Cadena Larga Hidoxiacil-CoA.
Síntomas: Encefalopatía, disfunción del hígado, cardiomiopatía y miopatía. También retinopatía pigmentaria y neuropatía periférica.
LHON
Nombre completo: Neuropatía Óptica Hereditaria de Leber
Síntomas: Principalmente ceguera en varones jóvenes. Síntomas menos comunes: demencia leve, ataxia, espasticidad, neuropatía periférica y defectos en los conductos cardiacos.
MERRF
Nombre completo: Enfermedad Epiléptica Mioclónica y Fibrosis roja.
Síntomas: Mioclono, epilepsia, ataxia progresiva, debilidad y degeneración muscular, sordera y demencia.
NARP
Nombre completo: Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa
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