Bioquímica

Bioenergética.

La bioenergética se puede definir como el objetivo de la célula en transformar la energía química de los alimentos en energía biológicamente útil, para que la célula pueda cumplir sus funciones vitales.

Molécula de ATP. Estructura y función.

El ATP es un nucleótido almacenador de energía, con unas condiciones termodinámicas especiales que el permiten liberar energía almacenada para que la célula la utilice en el cumplimento de sus funciones vitales.

La molécula de ATP (Adenosin trifosfato), es una molécula macroérgica rica en energía; su función biológica es intermediar el flujo de energía entre los procesos catabolicos y procesos anabolicos.

Esta molécula tiene una capacidad de almacenadora de energía libre, la cual se debe a sus enlaces óxido - ácido. Estos enlaces son de tipo anhídrido que se forman en los procesos de fosforilación a nivel sustrato y en la cadena respiratoria.

NOTA: La molécula de ATP presenta una alta tensión intramolecular que es amortiguada por el ión Mg 2+.

Esta tensión molecular se debe a que tienen una carga neta de -3.8 aproximadamente, generada por las cargas negativas sobre el oxígeno del grupo fosfato. En consecuencia el ATP tiene una alta tendencia a hidrolizar sus enlaces óxido - ácido (con el fin de aliviar la tensión intramolecular), de aca sale su gran importancia biológica ya que la hidrólisis de una mol de enlaces óxido - ácido librea aproximadamente 7.3Kcal.

Oxidación biológica.

Proceso de oxidación por pérdida de hidrógeno; la oxidación biológica incluye todos los procesos intracelulares donde hay transferencia de equivalentes reductores (electrones e hidrogenos), desde un sustrato reducido -SH2 (rico en energía) hasta un intermediario capatador de equivalentes reductores (FAD, NAD+, FMN, NAD3+) para formar un Soxid (sustrato oxidado) y liberación de energía.

Tip

¿Cuáles son los aspectos que hacen que la célula aproveche el ATP como fuente de energía para cumplir sus funciones biológicas?

• La Célula degrada por oxidación.
• En el proceso metabólico se libera energía (proceso aerobio). 
• Cuando la célula respira oxígeno, esto debe ocurrir en la mitocondria.
• Se dan tres procesos aerobios acoplados: Transporte electrónico a través de la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

En el proceso de oxidación biológica, se liberan hidrogenos (ricos en energía potencial) que son captados por nucleótidos específicos (según el tipo de deshidrogenasa que catalice el proceso) asi:

• Hay deshidrogenesas ligadas al NAD+, lo que da a entender que este nucleótido hace las veces de coenzima.
• Deshidrogenasas ligadas al FAD, o sea que este nucleótido hace las veces de coenzima. En este caso las enzimas deshidrogenasas se llaman "flavoproteínas".  

En el NAD+ hay niacina (vitamina del complejo B). En el FAD hay riboflavina (vitamina del complejo B).

El nucleotido que recibe los H, se reduce (ej. NADH, FADH2) y su función biológica es transportar los H, hacia un conjunto de transportadores de equivalentes reductores (H, e-) llamado "cadena respiratoria" (conjunto transportador electrónico mitocondrial).

La cadena respiratoria transporta los equivalentes (H, e-) que ha recibido, hacia el oxígeno para reducirlo y formar agua, en el proceso llamado "respiración celular o mitoncondrial" (consumo de oxígeno por parte de la célula).

Simultaneamente con el consumo de oxígeno, se libera energía en la cadena respiratoria, que se utiliza para fosforilar ADP y formar ATP (utilizado por la célula para obtener energía y cumplir sus funciones vitales).

En este caso, de producir ATP a expensas de la energía liberada en la cadena respiratoria, se llama "fosforilación oxidativa".

Como un pequeño resumen podemos decir que:

1. El transporte de equivalentes reductores a través de la cadena respiratoria se acopla con el proceso de fosforilación oxidativa, respiración mitocondrial y consumo de oxígeno.
2. Los equivalentes reductores transportados por la cadena respiratoria tienen como destino biológico la reducción de oxígeno para formar agua.
3. Cundo la célula consume oxígeno (éste es reducido para formar agua) se produce el proceso de "respiración mitocondrial".
4. El proceso de "fosforilación oxidativa" es estrictamente aerobio y se da utilizando la energía que se libera a medida que transcurre la cadena respiratoria.

Cadena respiratoria.

Es un sistema de transporte equivalentes reductores hacia el oxígeno (e-, H) ubicado en las crestas de la membrana interna mitocondrial y asociado a procesos aerobios. Por su acción se produce ATP y se reduce al oxígeno para formar agua.

El funcionamiento de la cadena respiratoria tiene como rol biológico transportar equivalentes reductores que han sido liberados por sustratos reducidos por acción de deshidrogenasas específicas durante la oxidación biológica, hasta el oxígeno mitocondrial, para formar agua (en pequeño porcentaje de oxígeno y H2O2).

Como conclusión podemos decir que:

• En la cadena respiratoria se producen tres moléculas de ATP durante el transporte de 2e-s a través de la cadena respiratoria y se consume 1/2 de oxígeno y una molécula de agua (esto en el caso de una deshidrogenasa ligada al NAD+).
• El transporte electrónico a través de la cadena respiratoria se acopla a la síntesis de ATP en el proceso conocido como "fosforilación oxidativa" que ocurre a nivel de la FP1 (4Fe - S), a nivel de Cit b (Fe - S) y a nivel de la citocromo oxidasa. Sitios donde libera suficiente energía (>7.3Kcal) para fosforilar el ADP. El ADP atrapa energía al fosforilarse y formar ATP.
• La cadena respiratoria se asocia a la respiración mitocondrial, proceso aerobio en el cual el oxígeno es reducido a agua.

Sustancias que afectan la cadena respiratoria.

1- Agentes desacoplantes: Estos agentes lo que provocan es que se impida la fosforilación oxidativa desconectando el transporte electrónico, a través de la cadena respiratoria, eliminando el intermediario energético que se forma en los centros de fosforilación y así evitan que la energía liberada, en estos centros, se almacene en forma de ATP. También aumentan la respiración mitocondrial debido a la producción de calor, excediendo la capacidad fisiológica produciendo hipertemia.

2- Agentes inhibidores: Estos agentes bloquean el transporte de equivalentes reductores a través de la cadena respiratoria impidiendo el consumo de oxígeno.

3- Agentes ionóforos: Estos agentes forman complejos liposolubles con cationes (K+,Na+) permitiendoles atravesar fácilmente la membrana mitocondrial. La mitocondria utiliza la energía liberada en la cadena respiratoria para expulsar estos cationes y por lo tanto malgastan la energía para la fosforilación oxidativa.

Radicales libres.

Son especies químicas que tienen un electrón desapareado con capacidad de aparearse, lo que le confiere alta reactividad. Estos radicales recorren la célula tratando de ganar un electrón de moléculas estables, para estabilizarse, ocasionando reacciones en cadena que son incontrolables y que generalmente producen sustancias nocivas para la célula.

Los radicales libres se consideran tóxicos para la célula debido a que cuando estas respiran (consumen oxígeno) producen radicales libres del oxígeno, como OH y peróxidos perjudicando las células.

Aunque en algunas células como los linfocitos los radicales libres son beneficiosos porque participan en el mecanismo de defensa conocido como fagocitosis (mas adelante ampliaremos sobre la toxicidad de los radicales libres).

Formación de radicales libres y peróxidos.

1- A partir de hierro ferroso: Cuando el Fe2+ del grupo hemo de la hemoglobina reacciona con el oxígeno, con una probabilidad del 1% se puede formar el anión superóxido.

2- En la respiración mitocondrial: Se da cuando los equivalentes reductores, transportados por la cadena respiratoria, reducen el oxígeno para formar agua metabólica; en un pequeño porcentaje se produce O2-.

3- Durante la síntesis de prostaglandinas: El ácido araquidónico  por acción de la enzima ciclooxigenasa se convierte en prostaglandinas, con liberación de oxígeno.

4- En el proceso de la fagocitosis: Los macrófagos y los PMN durante los procesos de fagocitosis, incrementan el consumo de oxígeno ocasionando la liberación de radicales libres.

5- Durante la acción de las oxidasas de función mixta y del citocromo P450, se produce O2-.

6- Por radiación U.V.

7- Por acción de la xantín oxidasa que produce en presencia de O2- ácido úrico.

Toxicidad de los radicales libres.
Según una publicación de la revista Ateroma realizada en noviembre de 1992 se plantea que el blanco de los radicales libres es atacar el ADN, las proteínas y fosfolípidos insaturados de la membrana.
Su acción tóxica se resume en:

• Sobre el ADN, por peroxidación se modifican químicamente sus bases nitrogenadas, alterando su secuencia, lo que incide en los procesos de transcripción y traducción.
• Sobre las proteínas, por oxidación de sus grupos -SH a -S-S. El grupo -SH es un lugar activo de las proteínas.
• Sobre los fosfolípidos insaturados, actúan oxidando sus dobles enlaces con formación de hidroperóxidos, alterando su carácter hidrofilico y por lo tanto la bicapa lipídica de la membrana, provocando que se debilite.

Mecanismos de defensa contra los radicales libres.

1- Enzima superóxido dismutasa: Esta enzima es la encargada de degradar el anión superóxido.

2- Enzima catalasa: Esta enzima es la encargada de degradar los peróxidos.

3- Enzima glutatión peróxidasa: Esta enzima es la encargada de degradar los peróxidos.

También hay acción antioxidante de vitaminas, en este caso de las vitaminas E y C, la vitamina E reacciona con los radicales OH y O2-, formando el radical tocoferilo, que es estable y suspende la reacción en cadena. Este radical reacciona con la vitamina C, liberando la vitamina E y el radical ascorbato que es inocuo y se elimina fácilmente en la orina.

Estrés oxidativo.

Se considera estrés oxidativo cuando la acción oxidante de los radicales libres y peróxidos, no es contrarrestada por los antioxidantes, esto provoca que los oxidantes se acumulen llegando al estrés oxidativo, el cual se puede presentar desde la diabetes hasta el cáncer.

Procesos liberadores de energía.

La célula requiere un flujo permanente de energía para cumplir sus funciones vitales. La energía química de las biomoléculas es liberada en los procesos catabólicos y en parte es almacenada como ATP. Este se hidroliza  y libera energía biológicamente útil, conocida como energía libre de Gibbs, la cual se utiliza para cumplir funciones vitales.

Las células producen ATP, a través de los siguientes sistemas energéticos:

Sistema ATP - fosfocreatina.

Este es un sistema de liberación de energía en corto tiempo, que se da por una molécual rica en energía (el fosfageno) la cual se calienta para irrigar de sangre el músculo para que se de  la vasodilatación. 

  

Sistema glucolítico.
Este es un sistema de liberación de energía, el cual se da por el catabolismo o degradación de la glucosa, que es la principal fuente de energía de la célula.
Una elevada concentración de glucosa en sangre (hiperglicemia) es la señal bioquímica para que el páncreas segregue insulina. Esta hormona activa el transporte de la glucosa, desde la sangre hacia la célula.
Cuando la glucosa se degrada, sin consumo de oxígeno, es un proceso extramitocondrial y se conoce como glucólisis anaerobia o fermentación homoláctica. Cuando se degrada con consumo de oxígeno, es un proceso intramitocondrial y se reconoce como glucólisis aerobia o respiración.


Glucólisis anaerobía.
Es considerado un proceso degradativo rápido, con poca producción energética (osea poca producción de ATP). Los tejidos del eritrocito, los linfocitos, el intestino, los músculos del ojo, la médula renal y las fibras musculares tipo IIB, solo utilizan la glucosa como fuente de energía y en condiciones anaerobias.
La glucólisis anaerobia ocurre cuando se hace ejercicio fuerte y rápido;  después de este tipo de ejercicio se da una fermentación homoláctica porque su producto final es el ácido láctico el cual puede seguir varios caminos como:

• Ser reconvertido en piruvato por acción de la deshidrogenasa láctica.
• Difundirse hacia las células lejanas y ser fuente de energía.
• Vía sanguínea ir al hígado, donde es reconvertido en glucosa, en el llamado ciclo de cori.

El ácido láctico según algunos estudios es considerado tóxico debido a que esta asociado con el cansancio, fatiga y dolores musculares, cuando se acumula en el músculo; aunque hay algunas teorías que descartan éste efecto y consideran que esas molestias se deben a la acumulación de hidrogeniones a nivel muscular, lo que conlleva a su acídez.

Glucólisis aerobia.

La glucólisis aerobia o respiración, es un proceso intramitocondrial asociado al consumo de oxígeno y por tanto a la cadena respiratoria, la respiración mitocondrial y la fosforilación oxidativa, ej: Hígado, neurona, músculo cardíaco.

En este proceso el ácido pirúvico, proveniente de la degradación citosólica de la glucosa, es transportado al interior de la mitocondria donde oxida al Acetil - Coenzima A (por acción de piruvato deshidrogenasa); por cada molécula de Acetil - Coenzima A que se degrade en el ciclo de Krebs se producen: 2CO2, 1ATP, 3NADH y 1FADH2.  Estos dos últimos nucleótidos reducidos se reoxidan en la cadena respiratoria y se asocian a la producción de ATP en la fosforilación oxidativa.

En resumen por cada molécula de glucosa que se degrade en condiciones aeróbias se producen aproximadamente  38ATP.

Si hablamos del ejercicio asociado a la degradación de la glucosa podemos decir que:

• En los primeros 10 - 15 segundos iniciales predomina como fuente energética el sistema ATP - PCr.
• Los primeros 30 segundos es 80% - 20% anaeróbico - aeróbico.
• Entre les 60 y 90 segundos es 45% - 55% anaeróbico - aeróbico.
• Entre los 120 y 180 segundos es 30% - 70% anaeróbico - aeróbico.
• Más de 180 segundos a una intensidad de esfuerzo baja, predomina la energía de fuente aeróbica. En los trotes de alta exigencia predomina la fuente energética anaeróbia.

Sistema glucogenolítico o glucogenólisis.

Cuando hay ingesta rica en carbohidratos, el hígado y el músculo esquelético, reciben abundante cantidad de glucosa, que se almacena en forma de glucógeno; este proceso es llamado glucogénesis el cual es promovido por la insulina.

El glucógeno; es por tanto una reserva de glucosa para situaciones como la hipoglicemia ocasionada por el ayuno prolongado. La glucogenólisis hepática produce glucosa, porque en este tejido se encuentra la enzima glucosa-6-fosfatasa, que cataliza el paso de glucosa-6-P a glucosa, la cual va a otros tejidos en caso de ayuno.

La glucogenólisis hepática es promovida por la adrenalina y el glucagón.

La glucogenólisis hepática y muscular están reguladas por hormonas:

• La insulina deprime la glucogenólisis tanto hepática como muscular.
• La adrenalina la incrementa.
• El glucagón incrementa la glucogenólisis en el hígado y es una hormona pancreática.  

Microbiología y bioanalismo.