Funciones Mitocondriales y Oxidaciones Biológicas



Volver a la Página Índice Español
© 1996–2017 themedicalbiochemistrypage.org, LLC | info @ themedicalbiochemistrypage.org

Introducción

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La gran cantidad de NADH resultante de la glucólisis, oxidación de ácidos grasos, y el ciclo del TCA utiliza para suministrar la energía para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa. La oxidación del NADH con la fosforilación del ADP para formar ATP son procesos que se hacen con el apoyo del transporte de electrones de la mitocondria y por la sintasa de ATP, que son complejos proteicos que se encuentran en la membrana mitocondrial interna. La cadena de transporte de electrones esta compuesta por una serie de complejos proteicos que catalizan reacciones secuenciales de oxidación y reducción; algunas de estas reacciones son termodinámicamente competentes para permitir la producción de ATP por la vía de la ATP sintasa proveyendo que un mecanismo de acoplamiento este disponible, como por ejemplo un intermediario común. La translocación de protones y el desarrollo de un gradiente de protones transmembrana proveen el mecanismo de acoplamiento.

Regreso al inicio

Principios de las Reacciones de Reducción/Oxidación (Redox)

Las reacciones Redox involucran la transferencia de electrones desde una especie química a otra. La forma oxidada mas la forma reducida de cada especie química se llama mitad de célula electroquímica. Dos mitades de célula que tienen al menos un intermediario común comprenden una reacción redox acoplada completa. Si una mitad de la célula esta lejos de un equilibrio electroquímico, su tendencia a conseguir equilibrio (i.e. ganar o perder electrones) puede utilizarse para alterar la posición de equilibrio de la mitad de la célula acoplada. Un ejemplo de una reacción redox acoplada es la oxidación del NADH por la cadena de transporte de electrones.

NADH + ½O2 + H+ ——> NAD+ + H2O

El potencial termodinámico de una reacción química se calcula a partir de las constantes de equilibrio y las concentraciones de los reactantes y productos. Debido a que no es practico medir directamente las concentraciones de los electrones, el potencial energético de electrones de un sistema redox se determina a partir del potencial eléctrico o voltaje de la mitad de las células individuales, en relación a una mitad de célula estándar. Cuando los reactantes y productos de una mitad de célula están en su estado estándar y el voltaje se determina en relación al estándar de una mitad de célula de hidrogeno (cuyo voltaje por convención es cero), el potencial que se observa se define como el potencial electrodo estándar, Eo. Si el pH de una célula estándar esta en el rango fisiológico, pH7, su potencial se define como el potencial electrodo biológico estándar y se designa E0'. Por convención los potenciales electrodo estándar se escriben como potenciales para reacciones de reducción de mitad de células. La energía libre de una reacción típica se calcula directamente a partir de su Eo′ por la ecuación de Nermst como se indica luego, en donde n es el número de electrones involucrados en la reacción y F es la constante de Faraday (23.06kcal/mol o 94.4kJ/volt/mol):

ΔGo′ = –nFΔEo

Para la oxidación del NADH, el potencial de reducción biológica estándar es –52.6 kcal/mol. Con un cambio de energía libre de –52.6 kcal/mol, esta claro que la oxidación del NADH tiene el potencial para dirigir la síntesis de un número de ATPs ya que la energía libre estándar para la reacción que sigue es +7.3 kcal/mol:

ADP + Pi ——> ATP

Clásicamente, la descripción de la síntesis de ATP por oxidación de transportadores de electrones reducidos indicaban que 3 moles de ATP podrían generarse por cada mole de NADH y dos moles por cada mol de FADH2. Sin embargo, análisis químicos directos han indicado que por cada dos electrones que se transfieren desde el NADH al oxigeno, se sintetizan 2.5 equivalentes de ATP y 1.5 por FADH2.

Regreso al inicio

Complejos de la Cadena de Transporte de Electrones

El NADH se oxida por una serie de transportadores catalíticos redox que son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna. El cambio de energía libre en varios de estos pasos es muy exergónico. Acoplados a estos pasos de oxidación y reducción es un proceso de transporte en el que protones (H+) de la matriz mitocondrial son transportados al espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa. La redistribución de protones lleva a la formación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial. El tamaño del gradiente es proporcional al cambio de energía libre de las reacciones de transferencia de electrones. En presencia de ADP, los protones fluyen hacia bajo de su gradiente termodinámico desde el espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa de regreso a la matriz mitocondrial. Este proceso se facilita por un transportador de protones en la membrana mitocondrial interna conocido con el nombre de ATP sintasa. Como su nombre implica, el transportador esta acoplado con la síntesis de ATP.

El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones mitocondrial se lleva a cabo por medio de varios complejos enzimáticos. Los electrones entran en la cadena de transporte primariamente a partir del NADH citosólico a NADH mitocondrial pero también pueden ser proveídos por el succinato (al FADH2 mitocondrial) o por el transportador glicerol fosfato a través de FADH2 mitocondrial.

Glicerol fosfato transportar

El glicerol fosfato de transfer. El glicerol fosfato transportador es un mecanismo de secundaria para el transporte de electrones de mitocondrial NADH citosólico a los transportistas de la fosforilación oxidativa itinerario. El principal electrones NADH citoplásmico lanzadera es la transportador malato-aspartato (ver más abajo). Dos son enzimas que participan en este servicio. Una de ellas es la versión de la citosólico enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (siglas en Inglés: GPD1) que tiene como un sustrato, NADH. La segunda es la forma de la mitocondria la enzima (siglas en Inglés: GPD2) que tiene como uno de sus sustratos, FAD+. La neto resultado es que hay una conversión continua de la glicolíticas intermedios, DHAP y glicerol-3-fosfato, con la consiguiente transferencia de los electrones de la reducción de NADH citosólico a la mitocondria oxida FAD+. Dado que los electrones mitocondrial de las FADH2 pienso en la vía de fosforilación oxidativa en la coenzima Q (a diferencia de NADH-ubiquinona oxidorreductasa [compleja I]) sólo 2 moles de ATP se generarán a partir de la glicólisis. GAPDH es gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.


Flujo de electrones durante la fosforilación oxidativa

Representación esquemática de la cadena de transporte de electrones (ETC): Se muestra el flujo de electrones desde el NADH y el succinato de oxígeno (O2) en la cadena de transporte de electrones de la fosforilación oxidativa. El complejo I contiene FMN y entre 22–24 proteínas hierro-azufre (Fe-S) en 5–7 agregados. El complejo II contiene FAD y 7–8 proteínas Fe-S en 3 agregados y el citocromo b560. El complejo III contiene citocromo b, citocromo c1 y una proteína Fe-S. El citocromo c esta asociado con el complejo III por interacción electrostática, el aceptor final de electrones es el complejo III. El complejo IV contiene citocromo a, citocromo a3 y dos iones de cobre. Mientras dos electrones pasan a través de las proteínas del complejo I, cuatro protones (H+) son transportados al espacio ínter membrana de la mitocondria. Igualmente, cuatro protones son transportados al espacio ínter membrana mientras cada par de electrones fluye a través de los complejos III y mientras cuatro electrones se utilizan para reducir al O2 a H2O en el complejo IV. La energía libre que se libera mientras los electrones fluyen a través del complejo II es insuficiente para acoplarse al transporte de protones. Estos protones son regresados a la matriz de la mitocondria, siguiendo su gradiente de concentración, pasando a través de la ATP sintasa acoplando el flujo de electrones y el transporte de protones a la síntesis de ATP.

Con excepción del NADH, succinado, y CoQ todos los componentes de la vía son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna cuyos cofactores sufren reacciones redox. El NADH y el succinato son solubles en la matriz mitocondrial, mientras que la CoQ es un pequeño transportador que transfiere electrones entre las deshidrogenasas primarias y el citocromo b. La CoQ esta también restringida a la fase de membrana debido a su carácter hidrofóbico.

Como se ha indicado anteriormente y se muestra en el diagrama, las proteínas mitocondriales de transporte de electrones son agrupados en complejos multiproteicos conocidos como complejos I, II, III, y IV. Complejo I, también conocida como NADH: CoQ oxidoreductasa (también NADH-ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa), se compone del NADH con FMN como cofactor, más no hemo de hierro proteínas que tienen por lo menos un centro de hierro azufre. Hay un total de 45 subunidades proteicas en complejo I. Complejo I es responsable de transferir electrones de NADH a CoQ. La ΔEo′ para la transferencia último es 0.42V, correspondiente a un ΔG′ de –19 kcal / mol de electrones transferidos. Con su energía libre muy exergónica cambiar, el flujo de electrones a través del complejo I es más que adecuado para conducir síntesis de ATP.

Complejo II también es conocido como succinato: CoQ oxidoreductasa (también succinato: ubiquinona oxidorreductasa o succinato deshidrogenasa). Complejo II es compuesto de 4 subunidades de proteínas. La ΔEo′ para el flujo de electrones a través de complejo II es de aproximadamente 0,05 V, lo que corresponde a un ΔG′ de –2,3 kcal / mol de electrones transferida, que es insuficiente para la síntesis de ATP. La diferencia en los energía libre, de flujo de electrones a través de los complejos I y II, explica el hecho de que un par de electrones que se originan a partir de NADH y pasando a los soportes de oxígeno producción de 2,5 (más comúnmente reportados como 3) equivalentes de ATP, mientras que 2 electrones de apoyo succinato la producción de sólo 1,5 (más comúnmente reportados como 2) equivalentes de ATP.

Reducción de CoQ (CoQH2) se difunde en la fase lipídica de la membrana y dona sus electrones a el complejo III, cuyos componentes principales son las proteínas hemo conocido como citocromos b y c1 y un no-heme-hierro proteína, conocido como la proteína de azufre Rieske de hierro. Complejo III se conoce como ubiquinol-citocromo c oxidorreductasa (también CoQ-citocromo reductasa) y está compuesto de 11 subunidades de proteínas. en contraste al grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina, el hierro hemo de los citocromos participa en las reacciones redox cíclicas de transporte de electrones, alternando entre el oxidada (Fe3+) y la reducción de las formas (Fe2+). la portador de electrones de complejo III de complejo IV es el más pequeño de los citocromos, el citocromo c (peso molecular 12.000).

Complejo IV, también conocida como citocromo c oxidasa, contiene las hemoproteínas conocido como citocromo a y citocromo a3, así como proteínas que contienen cobre en la que el cobre sufre una transición de Cu+ para Cu2+ durante la la transferencia de electrones a través del complejo con el oxígeno molecular. Complejo IV está compuesto por un total de 13 subunidades de proteínas. El oxígeno es el último aceptor de electrones, siendo el agua el producto final de oxígeno reducción.

Dentro del complejo I de los 7 subunidades proteicas que componen el NADH deshidrogenasa actividad están todos codificados por el genoma mitocondrial. Las subunidades restantes están codificados en el genoma nuclear. Todas las subunidades de los complejos II se codifican por el genoma nuclear. El cytochome b del complejo III es el único genoma mitocondrial codificada subunidad de este complejo. Dentro de complejo IV de la tres subunidades que comprenden citocromo c oxidasa son, cada uno codificado por el genoma mitocondrial con las subunidades restantes codificados dentro de la nuclear genoma. Todos menos dos de las subunidades de la ATP sintasa son codificadas por el nuclear genoma, mientras que los ATP sintasa 6 y 8 subunidades de la ATP sintasa son codificadas por el genoma mitocondrial. Además de las subunidades de proteína del núcleo central de cada uno de los complejos de la fosforilación oxidativa, hay numerosos factores de ensamblaje requerido para asegurar la formación correcta de cada complejo. La importancia de la factores de montaje en la formación funcional de estos complejos puede ser demostrada por los encefalomiopatías mitocondriales que resultan debido a mutaciones en varios genes. Por ejemplo, el síndrome de GRACILE (en Inglés: Growth Retardation, Amino aciduria, Cholestasis, Iron overload, Lactic acidosis, and Early death) es causada por mutaciones en el gen BCS1L que se requiere para el montaje apropiado de complejo III. El BCS1L (BCS1-como) gen es llamado así porque es el ser humano homólogo del gen BSC1 levadura.

La oxidación de NADH o normal succinato es siempre una reacción de 2 electrones, con la transferencia de iones de hidruro 2 a una flavina. Un ion hidruro se compone de 1 protón y el electrón 1. A diferencia de NADH y succinato, flavinas pueden participar en cualquiera de los dos 1-electrón o 2-electrones reacciones; por lo tanto, la flavina que está completamente reducido por las reacciones de deshidrogenasa posteriormente se puede oxidar por 2 secuenciales 1-hidruro reacciones. El edificio está totalmente forma reducida de una flavina se conoce como la forma quinol y completamente la forma oxidada es conocida como la forma quinona; el intermedio contiene un solo electrón se conoce como la semiquinona o semiquinol formulario.

Como las flavinas, la CoQ (también llamada ubiquinona) puede sufrir reacciones de 1 o 2-electrones llevando a la formación del quinol reducido, el quinon oxidado, y el intermediario semiquinon. La habilidad de las flavinas y de la CoQ para formar intermediarios de semiquinon es una característica clave de los sistemas de transporte de electrones mitocondriales, ya que estos cofactores unen las reacciones obligatorias de 2-electrones del NADH y succinato con las reacciones obligatorias de 1-electrón de los citocromos.

Los citocromos son las proteínas heme. De manera similar a la hemoglobina y mioglobina, los citocromos generalmente contienen un grupo heme por polipéptido, excepto por el citocromo b que contiene 2 residuos de heme en una cadena polipeptídica. Existen 3 formas de heme que se encuentran en las proteínas heme, cada una de las cuales se deriva de Fe-protoporfirina IX también llamado heme b.

Los citocromos varían en la estructura del heme y en sus uniones a la apoproteina. Los citocromos del tipo c contienen una protoporfirina de hierro IX modificada conocida como heme c. En el heme c las dos cadenas laterales vinil (–C=C–) están unidas de forma covalente a residuos sulfidrilos de la cisteina de la apoproteina. Solamente los citocromos del tipo c contienen heme covalentemente unido. El citocromo a es también una protoporfirina de hierro IX modificada. El heme a se encuentra en citocromos del tipo a y en la clorofila de las plantas verdes.

Estructuras de heme a, heme b, y heme c


Regreso al inicio

Fosforilación Oxidativa

La energía libre disponible como consecuencia de la transferencia de 2 electrones desde el NADH y el succinato al oxigeno molecular es de –57 a –36 kcal/mol, respectivamente. La fosforilación oxidativa atrapa la energía en la forma de ATP de alta energía. Para que la fosforilación oxidativa continúe, se deben reunir dos condiciones principales. Primero, la membrana mitocondrial interna debe estar físicamente intacta de tal manera que los protones solamente puedan re-ingresar a la mitocondria por el proceso que esta acoplado a la síntesis de ATP. En segundo lugar, un gradiente de protones debe ser desarrollado a través de la membrana mitocondrial interna.

La energía del gradiente de protones se conoce con el nombre de potencial quimioosmotico, o fuerza motil de protones (PMF). Este potencial es la suma de las diferencias de concentración de protones a través de la membrana y de la diferencia en la carga eléctrica a través de la membrana. Los dos electrones del NADH generan un gradiente de 6 protones. Así, la oxidación de un mol de NADH lleva a una disponibilidad de PMF con una energía libre de aproximadamente –31,2 kcal (6 x –5,2 kcal). La energía del gradiente se utiliza para la síntesis de ATP cuando los protones se transportan siguiendo su gradiente termodinámico dentro de la mitocondria.

Los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la proteína de membrana denominada ATP sintasa (o complejo V). La sintasa de ATP es complejo proteico compuesto de múltiples subunidades que se une al ADP y al fosfato inorgánico en su sitio catalítico, y que requiere un gradiente de protones para su actividad. La ATP sintasa esta compuesta de 3 fragmentos: F0, que se localiza en la membrana; F1, que protruye desde la membrana mitocondrial interna hacia la matriz mitocondrial; y la proteína que le confiere sensibilidad a la oligomicina (OCSP), que conecta los fragmentos F0 y F1. Cuando la membrana mitocondrial esta dañada, es permeable a los protones, la reacción de la ATP sintasa es activa pero en la dirección reversa y actúa como una hidrolasa de ATP o ATPasa.

Regreso al inicio

Estequiometría de la Fosforilación Oxidativa

Por cada par de electrones que se originan en el NADH, se sinterizan 3 equivalentes de ATP, lo que requiere 22.4 kcal de energía. Así, con 31,2 kca de energía disponible, esta claro que el gradiente de protones generado por el transporte de electrones contiene la energía suficiente para la síntesis normal de ATP. Los electrones a partir del succinato tienen aproximadamente 2/3 de la energía de los electrones del NADH: ellos generan PMFs que son aproximadamente 2/3 de la fuerza que se genera con los electrones del NADH y llevan a la síntesis de solamente 2 moles de ATP por mol de succinato oxidado.

Regreso al inicio

Regulación de la Fosforilación Oxidativa

Debido a que el transporte de electrones esta acoplado a la translocación de protones, el flujo de electrones a través del sistema de transporte de electrones se regula por la magnitud de la PMF. Mientras más alta es la fuerza, más baja la proporción de transporte de electrones, y viceversa. Bajo condiciones de reposo, con una carga alta de energía en las células, la demanda para síntesis nueva de ATP se limita y, aunque la PMF esta alta, el flujo de electrones hacia la matriz de la mitocondria a través de la ATP sintasa es mínima. Cuando las demandas de energía se incrementan, como durante la actividad muscular rigurosa, el ADP en el citosol se incrementa y es intercambiado con el ATP de la mitocondria por medio del transportador transmembrana nucleótido de anedina, la translocasa ADP/ATP. Las concentraciones altas de ADP hacen que la PMF sea descargada a tiempo de que los protones fluyen a través de la ATP sintasa, regenerando así la cantidad de ATP. Así, mientras la proporción del transporte de electrones depende de la PMF, la magnitud de la PMF en cualquier momento refleja la carga de energía de la célula. A su vez la carga de energía, o más precisamente la concentración de ADP, normalmente determina la proporción del transporte de electrones por principios de acción de masa. La proporción del transporte de electrones usualmente se mide al determinar la proporción de consumo de oxigeno y a esto se refiere como la tasa de respiración celular. La tasa de respiración se conoce como estado 4 cuando la carga de energía es alta, la concentración de ADP es baja, y el transporte de electrones esta limitado por el ADP. Cuando los niveles de ADP aumentan y el fósforo inorgánico esta disponible, el flujo de protones a través de la ATP sintasa es elevado y se observan proporciones altas en el transporte de electrones; la tasa respiratoria resultante se conoce con el nombre de estado 3. Así, bajo condiciones fisiológicas la actividad respiratoria mitocondrial esta en un ciclo entre los estados 3 y 4.

Regreso al inicio

Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa

La vía del flujo de electrones a través del ensamblaje para el transporte de los mismos, y las propiedades únicas de la PMF, han sido determinadas por medio de el uso de varios antimetabolitos importantes. Algunos de estos agentes son inhibidores del transporte de electrones en sitios específicos en el ensamblaje de transporte de electrones, mientras otros estimulan el transporte al descargar el gradiente de protones. Por ejemplo, la antimicina A es un inhibidor específico del citocromo b. En presencia de antimicina A, el citocromo b puede ser reducido pero no oxidado. Como es de esperarse, en presencia de la antimicina A el citocromo c permanece oxidado, así como también los citocromos posteriores a y a3.

Una clase importante de antimetabolitos son los agentes desacopladores ejemplificados por el 2,4-dinitrofenol (DNP). Los agentes desacoplantes actúan como ácidos lipofílicos débiles, que se asocian con protones en el exterior de la mitocondria, que pasan a través de la membrana unidos a un protón, y que se disocian del protón en el interior de la mitocondria. Estos agentes causan tasas de respiración máxima pero el transporte de electrones no genera ATP, debido a que los protones translocados no regresan a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa.

Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa

Nombre Función Sitio de Acción
Rotenona inhibidor del transporte de e Complejo I
Amital inhibidor del transporte de e Complejo I
Antimicina A inhibidor del transporte de e Complejo III
Cianuro inhibidor del transporte de e Complejo IV
Monóxido de Carbono inhibidor del transporte de e Complejo IV
Azida inhibidor del transporte de e Complejo IV
2,4,-dinitrofenol Agente desacoplante Transportador transmembrana de H+
Pentaclorofenol Agente desacoplante Transportador transmembrana de H+
Oligomicina Inhibe la sintasa de ATP Fracción OSCP de la sintasa de ATP

Regreso al inicio

Energía a partir del NADH Citosólico

A diferencia de la oxidación del NADH de la mitocondria, cuando se oxida el NADH del citoplasma vía sistema transporte de electrones se obtienen 2 equivalentes de ATP si este es oxidados por el transportador glicerol fosfato (véase más arriba) y 3 ATPs si la oxidación procede por el transportador malato aspartato.

Transportador malato aspartato

Malato-aspartato de transfer. El malato-aspartato de transportador es el principal mecanismo para el movimiento de reducción de los equivalentes (en forma de NADH; puesto de relieve en los cuadros rojos) del citoplasma a la mitocondria. El glicolíticas vía es una fuente primaria de NADH. En el mitochodria de los electrones NADH puede ser acoplada a la producción de ATP durante el proceso de fosforilación oxidativa. Los electrones son "llevadas" a la mitocondria en forma de malato. Citoplasmáticas malato deshidrogenasa (MDH) reduce oxalacetato (OAA), mientras que a malato oxidantes NADH a NAD+. Malato entonces cuando entra en la mitocondria la reacción inversa es llevada a cabo por mitocondrial MDH. Movimiento de OAA mitocondrial al citoplasma de mantener este ciclo se le requiere transaminated a aspartato (Asp, D), con el grupo amino está donado por glutamato (Glu, E). El Asp luego sale de la mitocondria y entra en el citoplasma. El glutamato genera deamination de α-cetoglutarato (α-KG) que sale de la mitocondria para el citoplasma. Todos los participantes en el ciclo están presentes en el compartimento celular adecuado para el servicio a función dependiente de la concentración debido a la circulación. Cuando el nivel de energía de la célula se eleva la tasa de la oxidación mitocondrial de NADH a NAD+ disminuye y por lo tanto, frena la rueda. GAPDH es gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. AST es aspartato transaminasa. SLC25A11 es el transportador malato y SLC25A13 es la    aspartato / transportador de glutamato.

El transportador glicerol fosfato esta acoplado a una desdhidrogenasa unida al FAD en la membrana mitocondrial interna con potencial bajo de energía como aquel que se encuentra en el complejo II. Así, el NADH del citoplasma que se oxida por esta vía puede generar solamente 2 equivalentes de ATP. El transportador involucra a dos glicerol-3-fosfato deshidrogenasas diferentes: una es citosólica, que actúa para producir glicerol-3-fosfato, y la otra es una proteína de membrana en la membrana mitocondrial interna que actúa para oxidar al glicero-3-fosfato producido por la enzima citosólica. El resultado neto del proceso es que equivalentes reductores del NADH citosólico son transferidos al sistema de transporte de electrones. El sitio activo de la glicerol fosfato deshidrogenada de la mitocondria se encuentra en la superficie externa de la membrana interna, lo que permite un acceso expedito al producto de la segunda, o glicerol-3-fosfato deshidrogenasa citosólica.

En algunos tejidos, como el del corazón o del músculo, la glicerol fosfato deshidrogenada de la mitocondria se encuentra en cantidades muy pequeñas, y el transportador malato aspartato es la vía dominante para la oxidación aerobia del NADH citosólico. Contrariamente al transportador glicerol fosfato, el transportador malato aspartato genera 3 equivalentes de ATP por cada NADH citosólico oxidado.

En acción, el NADH eficientemente reduce la oxaloacetato (OAA) a malato por la malato deshidrogenasa (MDH) del citoplasma. El malato es transportado al interior de la mitocondria por medio del antipuerto a-cetoglutarato/malato. Dentro de la mitocondria, el malato es oxidado por la MDH del ciclo del ATC, produciendo OAA y NADH. En este paso, los equivalentes reductores derivados del NADH se hacen disponibles para la NADH deshidrogenada de la membrana mitocondrial interna y son oxidados, produciendo 3 ATPs como se describió anteriormente. La transaminasa de la mitocondria utiliza glutamato para convertir el OAA que es impermeable a la membrana a aspartato y α-cetoglutarato. Esto da una reserva de α-cetoglutarato para el antipuerto mencionado anteriormente. El aspartato que también es producido es translocado a fuera de la mitocondria.

Regreso al inicio

Generación de Especies Reactivas del Oxígeno, ROS

Los electrones mitocondrial sistema de transporte (cadena de transporte electrónico: ETC) de la fosforilación oxidativa es el sitio principal para la generación de celulares ROS. El ROS producidos por los procesos celulares son el anión superóxido (O2), peróxido de hidrógeno (H2O2), y el hidroxilo de los radicales libres (OH). Cuando los electrones pasan a través de los complejos de la ETC algunos se filtran al oxígeno molecular (O2) que resulta en la formación de superóxido. Este superóxido rápidamente actúa sobre el cobre, zinc y superóxido dismutasa (SOD-CuZn, también identificado como SOD1) y superóxido mitocondrial dismutasa (Mn-SOD, también identificado como SOD2) para producir H2O2. SOD1 se encuentra en el espacio intermembrana mitocondrial y se encuentra SOD2 dentro de la matriz mitocondrial. Después de la generación de H2O 2 dentro de las mitocondrias que se difunde rápidamente en el citosol, donde se elimina por varias enzimas antioxidantes que incluyen glutatión peroxidasa (GPX1–GPx4), catalasa y peroxirredoxinas (Prx1 y PRX2). Utilizando ratones knock-out ha sido claramente demostrado que la Mn-SOD es esencial para el mantenimiento normal de las mitocondrias función en los tejidos altamente oxidantes como el cerebro y el corazón, así como la hígado. Dentro de la ETC en sí el sitio principal de la generación de ROS es la flavina mononucleótido (siglas en Inglés: FMN) del complejo I. generación de ROS también se produce en el plasma la membrana y el retículo endoplasmático (RE) membranas a través de la acción de NADP(H) oxidasas.

La producción mitocondrial y RE de ROS contribuye a los procesos de envejecimiento así como la progresión de numerosas enfermedades, tales como diabetes tipo 2 y el Parkinson la enfermedad. Componentes de la dieta puede conducir a un aumento de la producción de ROS que se evidente en obesidad y juega un papel importante que contribuye a la progresión de la resistencia a la insulina y la diabetes. El consumo de una dieta alta en grasas resultados en un exceso de NADH y FADH2, que luego aumenta el flujo a través de la ETC con un consiguiente aumento de la generación de ROS. De hecho, una dieta alta en grasas se sabe que aumentar la tasa de H2O2 de producción en el músculo esquelético mitocondrias. al final la tasa de aumento de la producción de ROS por los resultados en las mitocondrias la disfunción mitocondrial en el músculo esquelético.

ER producción de ROS es también uno de los principales estados de la enfermedad, tales como diabetes. Dentro de la sala de emergencias, las proteínas sufren plegado en sus funcionales conformaciones, ya que el tránsito por el aparato de Golgi y, finalmente, al plasma membrana o vesículas secretoras. Plegamiento correcto requiere intra-e inter-cadena formación de enlaces disulfuro que implica la oxidación de los residuos de cisteína y la liberación de electrones. Los electrones se pasan a la proteína disulfuro isomerasa luego a RE oxidoreductin y finalmente a O2 generar anión superóxido. Se sugiere que el exceso de nutrientes se ve en la obesidad y la diabetes pueden jugar un papel en la sobrecarga de la capacidad de la proteína RE plegables que resulta en aumento de ROS de producción. Un aumento en los resultados de RE producción de ROS en el estrés RE y el la inducción de la respuesta al estrés RE vías que a su vez activan pro-inflamatorias vías. De importancia para la diabetes es que RE inducida por el estrés inflamación activa la JNK quinasa (Jun N-terminal quinasa) y IKKβ (inhibidor del factor nuclear kappa-B subunidad beta quinasa) que fosforilan sustratos del receptor de insulina (por ejemplo, IRS1 y IRS2) dando lugar a alteración de la insulina señalización. Factor nuclear kappa B (NFκB) es uno de los factores de transcripción más importante regulación de la expresión de genes proinflamatorios.

Regreso al inicio

Disfunción Mitocondrial en la Diabetes tipo 2 y la Obesidad

Datos bien establecidos demuestran que las mitocondrias disfunción, en particular en lo que respecta a los procesos de oxidación fosforilación (fosforilación oxidativa), se contribuye al desarrollo de encefalopatía, miopatía mitocondrial, y varios trastornos relacionados con la edad que incluyen enfermedades neurodegenerativas, el síndrome metabólico, y la diabetes. De hecho, con respecto a la diabetes, algunas enfermedades mitocondriales se manifiestan con complicaciones diabéticas, como la miopatía mitocondrial, encefalopatía, acidosis láctica y accidentes cerebrovasculares-como episodios (siglas en Inglés: MELAS) y la diabetes de herencia materna y sordera (siglas en Inglés: MIDD).

Biogénesis de las mitocondrias normales se activa en respuesta a cambios en el ATP / ADP ratio y la activación de la AMPK, que a su vez resulta en un aumento de expresión de PPARγ co-activador 1α (PGC-1α) y la energía nuclear factor-1 respiratorio (siglas en Inglés: NRF1). PGC-1α es un maestro de la transcripción co-activador de numerosos genes involucrados en biogénesis mitocondrial. NRF1 es un factor de transcripción que regula la la expresión del factor de transcripción mitocondrial A (TFAM, por en Inglés transcription factor A, mitochondrial, también designado mtTFA) que es una réplica del factor de transcripción nuclear esenciales, el mantenimiento y la transcripción del ADN mitocondrial. NRF1 también controla la expresión de genes nucleares necesarios para la respiración mitocondrial y heme biosíntesis. La evidencia ha demostrado que los niveles de expresión de PGC-1α tanto y NRF1 son más bajos en los pacientes diabéticos y no diabéticos de familias con diabetes tipo 2. La expresión de NRF1 es mayor en el músculo esquelético que se También el tejido que representa el mayor porcentaje de utilización de glucosa en el cuerpo y, por tanto, es el tejido que es más responsable de la hiperglucemia como resultado de la señalización de insulina deteriorada.

Resultados de disfunción mitocondrial en el aumento de la producción de ROS, que activa las respuestas de estrés que conduce a una mayor actividad de MAPK y JNK. ambos de estas quinasas serina / treonina fosforilar IRS1 y IRS2 resultando en una disminución señalización corriente abajo del receptor de insulina. Inhibida IRS1 y IRS2 resultados de la actividad en disminución de la activación de la PI3K. La activación de PI3K está involucrada en la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática que resulta en aumento de la glucosa absorción. Por lo tanto, la inhibición de la PI3K (siglas en Inglés) en la captación de glucosa reduce en músculo esquelético y tejido adiposo. Resultados de disfunción mitocondrial en un reducción en el nivel de las enzimas implicadas en β-oxidación que lleva a incrementos en el contenido de lípidos intramiocelulares. De hecho, el metabolismo del músculo esquelético de los lípidos se ha Se ha demostrado que se altera en pacientes diabéticos tipo 2. Una ejecución más eficiente de los ácidos grasos Los ácidos en el músculo esquelético, así como disminución de la oxidación mitocondrial de los resultados, en el aumento del contenido intracelular de metabolitos de ácidos grasos como diacilglicerol (siglas en Inglés: DAG), grasos acil-CoA, y ceramidas. Estos metabolitos de ácidos grasos Los ácidos son todos conocidos por inducir la actividad de las isoformas de la proteína quinasa C (PKCβ y PKCδ) que fosforilan IRS1 y IRS2 en residuos de serina que resulta en un deterioro señalización de la insulina corriente abajo del receptor de la insulina.

Debido a que el músculo esquelético consume la mayor cantidad de glucosa en suero, la disfunción mitocondrial en este tejido tiene el mayor impacto en de glucosa en la eliminación. Sin embargo, el tejido adiposo también juega un papel importante en homeostasis de la glucosa y la disfunción mitocondrial en el tejido se ha demostrado el resultado en la homeostasis de la glucosa dando lugar a la diabetes. Por ejemplo, cuando los animales son tratados con inhibidores de la oxidación mitocondrial la insulina estimula la captación de glucosa en el tejido adiposo es significativamente afectada. El tejido adiposo segrega una serie de proteínas clasificadas como adipocinas. La adiponectina es una adipocina que promueve la sensibilidad a la insulina en responden a la insulina tejidos como el músculo esquelético. Cuando los niveles plasmáticos de adiponectina se miden en obesos o diabéticos de tipo 2 que se encuentra para ser significativamente menor que en la edad y el sexo los sujetos de control que son de peso normal o que no tienen diabetes. En estudios con animales, la mejora de los adipocitos resultados biogénesis mitocondrial en la liberación de adiponectina aumentaron a partir de tejido adiposo. Por el contrario, la expresión de la expresión de adiponectina se disminución en los adipocitos con la disfunción mitocondrial.

Teniendo en cuenta que la función mitocondrial deteriorada está claramente asociado con la obesidad y la diabetes tipo 2, no es de extrañar que hay un gran interés en el uso de la farmacología para aumentar la función mitocondrial en el tratamiento de estos trastornos. De importancia es el hecho de que las tiazolidindionas (TZD) clase de medicamentos utilizados para tratar la hiperglucemia de la diabetes tipo 2 (ver la siguiente sección) activar PPARγ que a su vez aumenta el nivel de actividad de PGC-1α. A pesar de las TZD se comercializó por primera vez debido a su capacidad para mejorar la insulina la sensibilidad, desde entonces han demostrado que aumenta tanto las funciones mitocondriales in vitro y in vivo. Los antioxidantes también han demostrado mejorar la función mitocondrial mediante la reducción de la producción de ROS. El Resveratrol (que se encuentra en pieles de la uva y el vino tinto) es un potente antioxidante cuya actividad es, en parte, debido a su capacidad para activar el SIRT1 deacetilasa (ver más abajo). activado SIRT1 deacetylates PGC-1α resulta en aumento de la actividad transcripcional y por lo tanto, la biogénesis mitocondrial mejorada.

Regreso al inicio

Tejido Adiposo pardo y Generación de Calor

El flujo de protones no acoplados liberan la energía del gradiente electroquímico de protones en forma de calor. Este proceso es una función fisiológica normal del tejido adiposo pardo. El tejido adiposo pardo tiene ese color debido a la gran densidad de mitocondrias en las células adiposas individuales. Los bebes recién nacidos tienen tejido pardo en el cuello y en la parte superior de la espalda que tienen la función de generar calor sin temblor. Las contracciones musculares que ocurren durante el proceso de temblar no solamente generan ATP sino también producen calor. El proceso de termogénesis en la grasa parda se inicia por la liberación de ácidos grasos a partir de las reservas de triglicéridos en las células adiposas. La liberación hormonal de ácidos grasos en la grasa parda es la misma que se describe para la movilización de la grasa almacenada en la página de Oxidación de Ácidos Grasos. Las mitocondrias en la grasa parda contiene una proteína llamada proteína desacoplante 1, UCP1 (también llamado thermogenein). UCP1 actúa como un canal en la membrana mitocondrial interna para controlar la permeabilidad de la membrana a los protones. Cuando la noradrenalina se libera en respuesta a la sensación de frío que se une a la β-adrenérgicos en la superficie de adipocitos marrones desencadenar la activación de la adenilato ciclasa. La adenilciclasa activada lleva a la producción incrementada de cAMP y a la activación concomitante de la proteína cinasa de pendiente de cAMP (PKA) siendo el resultado la fosforilación y activación de la lipasa sensible a hormonas. Los ácidos grasos liberados se unen a la termogenina iniciando un desacoplamiento del gradiente de protones y la liberación de la energía del gradiente en forma de calor. En la figura "+ve" se refiere a un efecto positivo.

Hormonales de la generación de calor en la grasa marrón

Generación hormonal de calor en el tejido adiposo marrón

Regreso al inicio

Otras Oxidaciones Biológicas

Complejos oxidasa, como la citocromo oxidasa, transfieren electrones directamente desde el NADH y otros sustratos al oxigeno, produciendo agua. Oxigenasas, que están ampliamente distribuidas en las membranas del retículo endoplasmático, catalizan la adición de oxigeno molecular a moléculas orgánicas. Existen 2 tipos de complejos de oxigenasa, monooxigenasas y dioxigenasas. Las dioxigenasas añaden 2 átomos de oxigeno molecular (O2) al carbono y nitrógeno de compuestos orgánicos. Los complejos de monooxigenasas tienen un papel clave en la detoxificación de fármacos y otros compuestos (e.g. PCB y dioxina) y en el metabolismo normal de esteroides, ácidos grasos y vitaminas solubles en lípidos. Las monooxigenasas actúan por la transferencia secuencial de 2 electrones desde el NADH o NADPH a 1 o 2 átomos de oxigeno en O2, generando H2O a partir de un átomo de oxigeno e incorporando el otro átomo de oxigeno en un compuesto orgánico como un grupo hidroxilo (R-OH). Los productos hidroxilados son marcadamente más solubles en agua que sus precursores y son más fácilmente excretados del cuerpo. Sinónimos que se utilizan ampliamente para las monooxigenasas son: oxidasas de función mixta, hidroxilasas, y hidroxilasas de función mixta.

Los componentes principales de los complejos de monooxigenasa incluyen al citocromo b5, citocromo P450, y citocromoP450 reductasa, que contiene FAD y FMN. Existen muchas isozimas P450; por ejemplo, hasta 50 diferentes productos de genes P450, se pueden encontrar en el hígado, en donde la mayor parte del metabolismo de los fármacos se lleva a cabo. Algunos de estos mismos productos de genes también se encuentran en otros tejidos, en donde son responsables de actividades de oxigenasa específica de esos tejidos. Equivalentes reductores P450 provienen del NADH vía citocromo b5 o a partir del NADPH vía la citocromo P450 reductasa, las cuales están asociadas con el citocromo P450 en los complejos localizados en las membranas.

Las reacciones enzimáticas que incluyen oxigeno molecular usualmente producen agua u oxigeno orgánico en reacciones muy bien reguladas que tienen productos específicos. Sin embargo, bajo algunas condiciones metabólicas (e.g. reperfusión de tejidos aeróbicos) los electrones no pareados ganan acceso al oxigeno molecular en reacciones no regulares sin actividad enzimática. Los productos, denominados radicales libres, son muy tóxicos. Estos radicales libres, especialmente el radical hidroxilo, ataca en forma aleatoria a componentes celulares, incluyendo proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, potencialmente causando extenso daño celular. Los tejidos están repletos con enzimas para proteger en contra de estas reacciones químicas aleatorias que estos radicales libres producen. Se ha identificado enzimas que captan estos radicales libres.

Las superoxidodismutasas (SODs) en animales contienen zinc (Zn2+) y cobre (Cu2+), y se llaman CuZnSOD, o manganeso (Mn2+) como es el caso de la forma mitocondrial. Estas SODs convierten el súper oxido en peroxido y por tanto minimizan la producción del radical hidroxilo, el más potente de los radicales libres de oxigeno. Los peróxidos producidos por la SOD también son tóxicos. Estos son detoxificados por su conversión a agua por la enzima peroxidasa. La peroxidasa de mamíferos mejor conocida es la peroxidasa de glutatión, que contiene el aminoácido modificado selenocisteina en su sitio activo.

El glutatión (vea la Pagina de la Pentosa Fosfato) es importante para mantener el potencial reductor normal de las células y provee los equivalentes reductores para la peroxidasa de glutatión para convertir el peroxido de hidrogeno en agua. En los glóbulos rojos la ausencia de glutatión lleva a un ataque extenso del peroxido a la membrana plasmática, produciendo glóbulos rojos frágiles que fácilmente sufren hemólisis.

La catalasa (localizada en los peroxisomas) provee una vía reductora para la degradación del peroxido de hidrogeno. La catalasa de los mamíferos tiene la renovación más alta de cualquier enzima descrita.

Regreso al inicio
Volver a la Página Índice Español
Michael W King PhD | © 1996–2017 themedicalbiochemistrypage.org, LLC | info @ themedicalbiochemistrypage.org

Última modificación: 20 de junio de 2016