Monografias | Adenosin TrifosfatoAdenosin TrifosfatoResumen: Concepto. Hipótesis quimiosmótica. ATP, sustancia clave en la liberación de energía. Estrés oxidativo y nutrición. Las metas para controlar el colesterol. Como los nutrientes se relacionan con la performance atlética. La evolución de las proteínas. Sustancias de interés biológico. Pasos desde la glicólisis a la cadena de transporte de electrones. ¿Por qué la Mitocondria es Importante?. Cadena de transporte de electrones. Estructura y función de la membrana interna y de las partículas elementales.(V) Indice 1. Concepto
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. 2.
Hipótesis Quimiosmótica
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: 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). El reporte propone que a
todo adulto mayor de 20 años se le mida las concentraciones de:
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. 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.
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:
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: 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)
Ganadores del Premio Nobel sobre Adenosin Trifosfato:
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