TERMODINÁMICA METABÓLICA
La termodinámica estudia las transformaciones energéticas que acompañan los cambios físicos y quimicos de la materia. La bioenergética estudia esas transformaciones en los seres vivos y permite determinar la direccion y magnitud de energía a la que se producen las reacciones bioquímicas.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicos y procesos fisico-químicos que ocurren en una celula y en un organismo. Estos procesos como conjunto son la base de la vida a nivel molecular permitiendo que se den las diversas actividades celulares (crecimiento, reproducción, etc).
La termodinámica enuncia tres leyes fundamentales:
1. La cantidad total de energía del universo es constante. No se crea ni se destruye, se transforma.
En el caso de las reacciones, esto significa que la suma de la energía de los productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan.
2. El desorden del universo aumenta siempre. Los procesos físicos y químicos solo se producen espontáneamente cuando aumenta el desorden.
El potencial termodinámico de un sistema en el estado final siempre será menor que el potencial termodinámico del mismo sistema en el estado inicial. La diferencia entre los potenciales termodinámicos de los estados inicial y final se conoce como cambio en la energía libre (o de Gibss) del sistema y se simboliza como ΔG.
Las reacciones exergónicas (que liberan energía) tienen un ΔG negativo y las reacciones endergónicas (que requieren de energía) tienen un ΔG positivo. Los factores que determinan el ΔG incluyen ΔH, el cambio en el contenido de calor, y DS, el cambio en la entropía, que es una medida del comportamiento aleatorio o desorden del sistema. Estos factores se relacionan según la siguiente fórmula: ΔG=ΔH - TΔS.
La entropía de un sistema es una medida del "grado de desorden" o "grado de aleatoriedad" de ese sistema.
Otra manera de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente.
3. Al acercarse la temperatura de un cristal sólido perfecto a cero absoluto (Kº), el desorden (entropía) se aproxima a cero.
En los organismos vivos se contradice la segunda ley de la termodinámica ya que estos intercambian materia y energía con sus alrededores, por lo que estos sistemas vivos no se encuentran en equilibrio sino que provocan un incremento de energía mayor en sus alrededores. El metabolismo de una célula logra esto mediante la relación entre los procesos espontáneos del catabolismo con los procesos no-espontáneos del anabolismo. En términos termodinámicos, el metabolismo mantiene el orden al crear un desorden.
Por ello en los organismos se dan diversos procesos metabolicos donde estas presentes reacciones endergónicas y exergónicas, en la célula, se desrrollan los procesos productores de energía, en forma de ATP (adenosina trifosfato) mostrado en la figura, producida mediante tres rutas acopladas que son glucolisis, ciclo de Krebs Y fosforilación oxidativa.
GLUCÓLISIS
Es el proceso metabolico encargado de oxidar la glucosa buscando obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.
En resumen las diez reacciones son:
1. Síntesis de glucosa-6-fosfato.
2. Conversión de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.
3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato.
4. Escisión de la fructosa-1,6-difosfato.
5. Interconversión del gliceraldehído-3-fosfato y del fosfato dihidroxiacetona.
6. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato.
7. Transferencia del grupo fosfato (del glicerato-1,3-difosfato+ ADP al glicerato-3-fosfato+ ATP).
8. Interconversión del 3-fosfoglicerato y del 2-fosfoglicerato.
9. Deshidratacíon del 2-fosfoglicerato
10. Síntesis de piruvato.
En el siguiente grafico se ilustra de manera clara la forma como se dan estas reacciones:
Como se muestra en la fugura la glucólisis se da en dos fases:
-- La glucosa se fosforila dos veces y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído fosfato.
-- El gliceraldeído se convierte en piruvato, con una producción neta de ATP por molécula de glucosa de dos.
MITOCONDRIA: Es un organelo citoplasmatico que tienen doble membrana y se encuentra en la mayoria de las células eucariotas, su fución fundamental es la oxidación de metabolitos ( ciclo de Krebs, beta oxidacíon de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por la célula. También sirve de almacén de sustancias como iones, agua y algunas partículas como restos de virus y proteínas. Se compone de:
* MEMBRANA EXTERNA: bicapa lipídica exterior permeable a muchos iones, metabolitos y polipéptidos * MEMBRANA INTERNA: en esta tienen lugar la fosforilación oxidativa. * ESPACIO INTERMEMBRANOSO: esta entre las membranas y tienen una alta concentracíon de electrones como resulatdo de su producción en la cadena respiratoria. *MATRIZ MITOCONDRIAL: tiene importantes componentes como el ADN circular bicatenario; allí tiene lugar el ciclo de Krebs.
CICLO DE KREBS
Es un proceso metabolico, es decir, un conjunto ordenado de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aerobicas. Cuando a la matriz mitocondrial llega el piruvato este se descarboxila a través del complejo multienzimático piruvato deshidrogenasapara producir Acetil CoA, allí en el mitosol tiene lugar todo el proceso. Estas reacciones conforman un conjunto ordenado en el cual se produce 10 ATP por cada piruvato que se convierte inicialmente en Acetil CoA en forma de NADH y FADH2.
La energía que se utiliza en este ciclo se obtiene de la hidrolisis de acetil CoA.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Es una de las más importantes rutas metabólicas que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosina trifosfato (ATP). La fosforilación oxidativa funciona con dos tipos de reacciones que están aclopadas. El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones, desde donantes de electrones como NADH a aceptores de electrones tales como oxígeno, es un proceso exergónico, mientras que la síntesis de ATP es un proceso endergonico. Tanto la cadena de transporte de electrones como la ATP sintasa, están embebidos en la membrana, y la energía es transferida de la cadena de transporte de electrones a la ATP sintasa por el movimiento de protones a través de la membrana, en un proceso llamado quimiosmosis.
En la ilustracíon anterior se muestra el mecanismo de la cadena transportadora de electrones compuesta de:
1. Complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido.2. Complejo II o succinato deshidrogenasa; que al igual que el complejo I cede electrones al coenzima Q o ubiquinona.
3. Complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c.
4. Complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua.
ATP sintasa, también llamada complejo V, es la enzima final del proceso de la fosforilación oxidativa. Esta enzima se encuentra en todas las formas de vida y funciona de la misma manera tanto en procariotas como en eucariotas. Esta enzima usa la energía almacenada en un gradiente de protones a través de la membrana para llevar a cabo la síntesis de ATP desde ADP y fosfato (Pi).
ARTICULOS RELACIONADOS CON EL TEMA:
1. ENFERMEDADES GENÉTICAS DEL ADN MITOCONDRIAL HUMANO:
http://scielo.unam.mx/scielo.php?pid=S0036-36342001000200010&script=sci_arttext
2. MITOCHONDRIAL MEDICINE- MOLECULAR PATHOLOGY OF DEFECTIVE OXIDATIVE PHOSPHORYLATION:
http://www.annclinlabsci.org/cgi/content/full/31/1/25
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS DE MAYOR IMPORTANCIA:
1. ENFERMEDADES GENÉTICAS DEL ADN MITOCONDRIAL HUMANO: (...)"El ácido desoxirribonucleico mitocondrial (mtDNA, por sus siglas en inglés) humano es una molécula circular compuesta por 16 569 pares de bases1 que contiene información para 37 genes(...) 37 genes: dos ácidos ribonucleicos ribosómicos (rRNA), componentes de los ribosomas específicos mitocondriales, 22 de transferencia (tRNA), que son capaces de leer todo el código genético, y 13 polipéptidos que forman parte de cuatro de los cinco complejos multienzimáticos del sistema de fosforilación oxidativa (sistema Oxphos), etapa terminal de la ruta de producción de ATP. Estos péptidos corresponden a siete subunidades (ND1, 2, 3, 4, 4L, 5, 6) del dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido (NADH): ubiquinona óxido-reductasa (complejo I); una subunidad (cyt b) de la ubiquinol: citocromo c óxido-reductasa (complejo III); tres subunidades (CO I, II, III) de la citocromo c oxidasa (complejo IV), y dos subunidades de la ATP sintetasa (complejo V)2 "(...)
TOMADO DE:
1. Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de-Bruijn MHL, Coulson AR, Drouin J et al. Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature 1981;290:427-465.
2. Chomyn A, Mariottini P, Cleeter MWJ, Ragan CI, Doolittle RF, Matsuno-Yagi A et al. Functional assignment of the products of the unidentified reading frames of human mitochondrial DNA. En: Quagliarello E, Slater EC, Plamieri F, Saccone C, Kroon AM, ed. Amsterdam: Elsevier Sciences, 1985:259-275.
2. MITOCHONDRIAL MEDICINE- MOLECULAR PATHOLOGY OF DEFECTIVE OXIDATIVE PHOSPHORYLATION: (...) "Electrons from the metabolites must be efficiently carried via coenzyme-Q10 (Q10) to Complex III, and then via cytochrome c and Complex IV to oxygen. An ample supply of oxygen as electron acceptor must be provided. Uninhibited, effective proton pumping by Complexes I, III, and IV must deposit the released energy as an electrical charge across the mitochondrial inner membrane. Salicylate and indomethacin can inhibit the electron transport chain. The electron transport may be reduced or blocked by an inadequate supply of oxygen. Blood flow reduction due to atherosclerosis, reduction in oxygen carrying capacity due to anemia or smoking, or a reduction in the oxygen partial pressure at high altitude or reduced airplane cabin pressure can all impair the function of the electron transport chain. Furthermore, defective ATP generation may be due to lack of substrates, essential cofactors, or may be caused by inefficient use of oxygen1 (...) A virus may induce OXPHOS dysfunction. Conditions of oxidative stress, chronic alcohol abuse, a large number of drugs, or toxin can also lead to a decline of mitochondrial function2 " (...)
TOMADO DE:
1. Mortensen SA. Perspectives on therapy of cardiovascular diseases with coenzyme Q10 (ubiquinone). Clin Investig 1993;71(8 Suppl):S116–123.
2. Treem WR, Sokol RJ. Disorders of the mitochondria. Semin Liver Dis 1998;18:237–253.
OPINIÓN A CERCA DE LA IMPORTANCIA DE LAS BIBLIOGRAFÍAS:
Como no lo indican sus titulos ambos articulos centran su interes en las patologias que tienen su causa en alteraciones geneticas y fisiologicas de la organela mitocondrial. La importancia de estas citas es que caracterizan los componentes y el mecanismo de funcionamiento de la cadena de electrones y fosforilación oxidativa, elemento de gran utilidad para que los autores introduzcan al lector del articulo en el tema brindandole bases conceptuales que le permitan entender el funcionamiento de estos procesos para luego caracterizar las patologias como alteraciones de los mismos. Con estos elementos de apoyo conceptuales que retoman estos autores el enetendimiento global de estos articulos es mucha más efectivo, lo que hace que sean calificados positivamente por los lectores.
Del primer articulo se destaca la descripción precisa de los elementos que integran los complejos multienzimaticos que componen el sistema de fosforilación oxidativa, de gran importancia dentro del tema desarrollado en todo lo expuesto anteriormente. Dentro del articulo este aparte toma gran relevancia pues describe los elementos que se van a tratar en el desarrollo del mismo para describir cada una de las patologías, que pueden encontrar su causa en la alteración de cualquiera de los 37 genes descritos.
El aparte del segundo articulo se enfoca de manera especifica en la descripción de la cadena transportadora de electrones y al mismo tiempo describe que disfuncionalidades pueden prezsentarse en esta.
A pesar de que el objetivo fundamental de ambos articulos es la descripción de patologías los autores remiten al lector a otros autores que hacen una descripción de la funcionalidad para que el entendimiento de la tematica que trata sea mas facil.
FUENTES
* MCKEE, Trudy, James. Bioquímica: La base molecular de la vida. Mexico: McGraw Hill Interamericana. Tercera edición. 2003. Pag 264-288, 316-326, 338-346.
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