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 energia 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 Fig 10.6 muestra esquemáticamente la hipótesis quimiosmótica:

Los electrones se emplean para reducir el NADP+ a NADPH. El ATP y el NADPH producidos de esta forma pueden utilizarse en la fase oscura para las reacciones de síntesis, en las que se reducen moléculas sencillas, como el CO2, para formar glúcidos.

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 proteinas 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 indices altos de respiración, contienen crestas densamente empacadas. Por el contrario, las células del higado poseen crestas mucho mas separadas, pues presenran una menor tasa de respiración.

Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP

Actualmente, se acepta como modelo para la sintesis de ATP el modelo de acoplamiento quimio-osmótico propuesto en 1961, por el bioquimico británico Peter Mitchell.

De una manera general, el modelo propone que la energia 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 energia generada se utiliza para mantener el gradiente de protones. Peter Mitchell recibió el premio Nobel en 1978 por sus logros cientificos.

Los protones en su regreso atraviesan el sistema ATPasa, descrito anteriormente en la fotosíntesis.

El Genoma mitocondrial, también llamado ADN mitocondrial, es el material genético de las mitocondrias, los orgánulos que generan energía para la célula. El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariotase divide. El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass utilizando microscopia electronica y un marcador sensitivo al ADN mitocondrial. Evolutivamente el ADN mitocondrial y el ADN nuclear descienden de genomas circulares pertenecientes a bacterias, que fueron englobadas por un antiguo ancestro de las células eucarióticas.

 

Tradicionalmente se ha considerado que el ADN mitocondrial se hereda solo por vía materna. Según esta concepción, cuando un espermatozoide fecunda un óvulo penetra el núcleo con su ADN pero deja afuera su cola y citoplasma, donde están las mitocondrias. Por lo tanto, en el desarrollo del cigoto sólo intervendrían las mitocondrias contenidas en el óvulo. Sin embargo, se ha demostrado que las mitocondrias del espermatozoide pueden ingresar al óvulo. Según algunos autores el ADN mitocondrial del padre puede perdurar en algunos tejidos, como los músculos. Según otros, no llega a heredarse al ser marcadas por ubiquitinación y degradadas.

El ADN mitocondrial puede ser usado para identificar individuos junto con otra evidencia. También es usado por laboratorios forenses para identificar viejas muestras de esqueleto humano. Distinto que el ADN nuclear, el ADN mitocondrial no sirve para identificar individuos, pero si para identificar grupos de individuos, es usado entonces para aceptar o rechazar comparaciones entre personas perdidas y restos no identificados.

Las enfermedades mitocondriales son resultado de la falla de las mitocondrias, los compartimentos especializados presentes en cada célula del cuerpo, con excepción de los glóbulos rojos de la sangre. Las mitocondrias son las responsables de la creación de más del 90% de la energía que el cuerpo necesita para mantener la vida y apoyar el crecimiento. Cuando fallan, se genera cada vez menos energía al interior de la célula. Puede entonces presentarse lesión celular o incluso la muerte de la célula. Si este proceso se repite en todo el cuerpo, los sistemas completos comienzan a fallar y la vida de la persona que lo sufre, está en grave riesgo. Esta enfermedad afecta principalmente a los niños, pero los brotes en adultos se están volviendo más y más comunes.

Enfermedades mitocondriales

Las enfermedades de las mitocondrias parecen ocasionar el mayor daño a las células del cerebro, del corazón, del hígado, músculo esqueléticas, del riñón así como a los sistemas endocrino y respiratorio.

Dependiendo de qué células resulten afectadas, los síntomas pueden incluir pérdida de control motor, debilidad muscular y dolor; desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; crecimiento deficiente, enfermedades cardiacas, del hígado, diabetes, complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones.

No hay una característica única para identificar una enfermedad mitocondrial. Los pacientes presentan varios problemas que pueden surgir desde el nacimiento hasta en la edad adulta madura. Piense en las mitocondrias cuando:

• Una “enfermedad común” presente características atípicas que la distingan del resto.
• Haya tres o más órganos involucrados
• Se presenten recaídas recurrentes, o cuando ocurran brotes de infección en una enfermedad crónica.

Las enfermedades mitocondriales o citopatías, deberán considerarse como posibles en diagnósticos diferenciales, cuando aparezcan estas características inexplicables, especialmente cuando ocurran en combinación con:

Síntomas:

• Encefalopatía
• 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)

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

Poliodistrofia Infantil Progresiva

Síntomas: convulsiones, demencia, espaticidad, ceguera, disfunción del hígado y degeneración cerebral.

Deficiencia del Complejo I

Deficiencia NADH dehidrogenasa (NADH-Co! Reductasa)

Síntomas: Tres formas principales:

1. Desorden fatal infantil multisistémico, caracterizado por un retraso en el desarrollo, debilidad muscular, enfermedad cardiaca, acidosis láctica congénita y paro respiratorio.
2. 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.
3. 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

Deficiencia ubiquinona-citocroma c óxidoreductasa

Síntomas: Cuatro formas principales:

1. Encefalomiopatía mortal infantil, acidosis láctica congénita, hipotonia, postura distrófica, convulsiones y coma. Es común la fibrosis roja.
2. 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.
3. Miopatía, con intolerancia al ejercicio que deviene en debilidad continua. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.
4. Cardiomiopatía histiocitoide infantil.

Deficiencia del Complejo IV / Deficiencia COX

La deficiencia citocroma c óxidoreductasa es ocasionada por un defecto en el Complejo IV de la cadena respiratoria.

Síntomas: Dos formas principales:

1. 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.
2. Miopatía: dos variantes principales:
1. Miopatía infantil mortal: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, paro respiratorio y problemas de riñón.
2. 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.

En un sentido muy amplio, los compuestos químicos que interfieren con la síntesis de ATP mitocondrial se pueden asociar en cuatro grupos:

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.

 

El principio de funcionamiento de los respirómetros a presión constante se basa en la fijación en medio acuoso alcalino del CO₂ liberado por los organismos, y la consecuente disminución del volumen gaseoso de la cámara donde aquel se encuentra, debido al consumo del O₂. Estos respirómetros funcionan a presión constante, pues continuamente se nivela la presión interna con la presión externa, a través de un líquido cuyo desplazamiento sobre una pipeta graduada, de disposición horizontal, equivale al volumen de oxígeno consumido.