Fotobiologia 2

Como la definición de Luz se da sólo a la radiación que causa sensación visual en el hombre y su longitud de onda eso entre los 400 y 7 00 nm. (Espectro, visible del espectro electromagnético), toda radiación cuya longitud de onda que eso fuera del rango mencionado no puede llamarse Luz de ahí que el uso de "luz" ultravioleta o infrarroja es inadecuado. Se debe nombrar como radiación ultravioleta (RUV) o infrarroja (RIR).

La radiación solar que llega al planeta tiene una amplia gama de longitudes de onda y en su conjunto se conoce como espectro electromagnético y la radiación lumínica está entre los 400 y 700 nm el resto de radiaciones forman parte de la porción no lumínica. Dentro de las radiaciones no lumínicas o no visibles, la radiación ultravioleta es la de mayor interés en fotodermatología. Tiene 3 bandas: el segmento A (UVA) entre los 320 a 400 nm; el segmento B (UVB) entre los 290 y 320 nm; y el segmento C (UVC) con longitudes de onda por debajo de 290 nm.

Otro aspecto importante a recordar es que cuando hablamos de Estados de Energía de la materia nos estamos refiriendo a los estados electrónicos de sus componentes (moléculas, átomos), caracterizados por su particular distribución en pares, contenido de energía y reactividad química singular. Normalmente las moléculas biológicas se encuentran en el menor estado de energía electrónica y reactividad química, estado que se conoce como Estado Electrónico Básico o Fundamental, llamándose a los estados de mayor energía causados por la absorción de un fotón, Estado Electrónico Excitado. Esta promoción de la molécula a estados de mayor energía se conoce como Transición y la desactivación de los estados electrónicos excitados que vuelven a su nivel de menor energía se conoce como Relajación. Los estados de excitación son llamados "Singlet" y "Triplet", ésta última de menor nivel de energía pero mas estable lo que le da mayor oportunidad de interactuar con otras moléculas del medio, permitiendo que las reacciones fotoquímicas secundarias ocurran. Hay que señalar que solo algunos tipos de moléculas químicas son capaces de ir a un estado triplet y estas son las moléculas que se saben que fluorescen. Como se aprecia, los estados moleculares electrónicamente excitados son inestables y si no ocurre cambio químico, se relajan. La relajación puede hacerse por un proceso radiante con emisión de un fotón; o a través de un proceso de no radiación como es la emisión de calor, de fluorescencia en el caso del decaimiento de energía del estado singlet o fosforescencia en caso del estado triplet, conversión Inter sistemas (del estado singlet al triplet) o por reacción química con las moléculas vecinas (Reacción Fotoquímica Secundaria). La Reacción Fotoquímica Primaria está dada por la absorción del fotón por el cromóforo.

Es importante recordar las leyes que rigen la interacción de radiación lumínica y materia:

• Ley de absorción fotoquímica o de Grotthus Draper o primera ley.- Solo las radiaciones que son absorbidas son efectivas para promover los cambios fotoquímicos.
• Ley de reciprocidad o de Burlen Roscoe o segunda ley.- Cuando el producto de la intensidad y el tiempo de exposición es consistente, el hecho fotoquímico es el mismo.
• Ley de absorción de Lambert Beer.- La fracción de luz incidente absorbida por una sustancia en solución es independiente de la intensidad de la luz inicial y aumenta proporcionalmente con el aumento en concentración de la sustancia.
• Ley del Quantum o de Planck.- La radiación es emitida no continuamente, sino en pequeñas unidades llamadas "quanta".
• Ley de equivalencia fotoquímica o de Starck Einstein.- Cuando un quantum de energía es absorbido por una molécula de una sustancia absorbente, se produce una activación de la molécula (reacción primaria).

Hay dos tipos básicos de reacciones fotoquímicas: Directas y por Fotosensibilización. Las Directas son aquellas en las que el cromóforo es afectado y sufre una modificación química para formar productos (pasaje de cis- a trans en el caso del ac. urocánico, por ejemplo) o también puede reaccionar con una molécula diferente como es el caso de la ciclo adición de los psoralenos bifuncionales con la timina del ADN. Las reacciones de Fotosensibilización, en las que el cromóforo solo juega el rol de captador y transportador de energía, más él no está afectado directamente por la reacción fotoquímica. En el extremo de la cadena él será restituido íntegramente y podrá de nuevo captar los fotones y reiniciar el proceso. Este tipo de cromóforo se llama "fotosensibilizador".

En el plano físico químico se distinguen dos tipos de reacción de fotosensibilización:

• Por transferencia de energía.- La energía del fotosensibilizador es transferida a un aceptador que pasa al estado de excitación. Un ejemplo es la reacción fotodinámica de tipo II.
• Por transferencia de carga o de un átomo de hidrógeno.- El fotosensibilizador excitado presenta propiedades de oxidorreducción y transfiere carga a un sustrato. Un ejemplo es la reacción fotodinámica de tipo I.

FOTOBIOLOGÍA CUTÁNEA

La Fotobiología Dermatológica es por tanto la parte de la Fotobiología que se ocupa del estudio de los cambios en la piel por efecto de la radiación no ionizante ambiental, especialmente de la radiación solar, y dentro del espectro solar, de la fracción ultravioleta y luz visible.

Es necesario conocer que la atmósfera filtra la radiación electromagnética solar en forma tal que sobre la superficie de la Tierra el espectro solar sólo abarca las longitudes de onda comprendidas entre las 290 y 3000 nm, es decir, la fracción UVB (290-320 nm) y UVA (320-400 nm), la luz visible (400-780nm) y una parte de la infrarroja (RIR).En la banda de RUV la UVB es 5 al 10% del total y el resto es UVA.

La calidad de la radiación directa que recibe la superficie del planeta varía según la altitud (la cantidad de UVB es 20% mayor a 1500 m de altitud que la reportada a nivel del mar), la latitud, la estación climática (en nuestra latitud es mayor en febrero, en Europa es en julio), la hora del día (entre las 11 y 15 horas es particularmente rico en nuestra latitud), la humedad y la polución atmosférica.

A esta radiación directa, cuando se considera al individuo, hay que sumar las radiaciones difuminadas por las partículas en suspensión de la atmósfera; así en atmósfera nubosa los altos cúmulos absorben la mayor parte de la radiación UV. Además hay que considerar la radiación reflejada por la nieve, 80%; por la arena, 20%; por el agua, 5%; por el césped, 3%. En total, la energía solar que llega a la superficie se reparte de la siguiente forma: 50% en RIR, 40% en luz y 10% en RUV siendo la porción RUV la más activa biológicamente.

Interacción de la piel con la radiación solar.

La piel interactúa con la radiación solar dando protección al ser vivo de la radiación biológicamente importante que son la RUV y la luz. Esta función la cumple gracias a su constitución física que le confiere determinadas propiedades ópticas y a las moléculas absorbentes de energía llamados cromóforos.

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA PIEL

Se rigen por cuatro procesos fundamentales:

• Reflección, principalmente difusa, se ejerce a nivel de la capa córnea y de manera variable, siendo importante para la fracción visible y la RIR, no así para la UVB.
• Difusión, se ejerce a nivel del estrato corneo y por la melanina, sobre todo de la fracción UVB.
• Absorción, que se realiza a nivel de la capa cornea que absorbe el 70% de UVB debido a los aminoácidos polares de la queratina y al Ácido urocánico, de la melanina y los carotenoides que absorben la RUV y la luz; y la hemoglobina que absorbe la luz.
• Transmisión, corresponde a la fracción del haz que ha escapado a los tres procesos anteriores y que penetra en la piel. Así, de la UVB, 20% llegan al cuerpo mucoso de Malpigio y 10% a la dermis. La mayoría de la luz y UVA atraviesa la epidermis siendo en parte detenido por la melanina. La luz roja y la RIR llegan hasta la hipodermis.

Los cromóforos de la piel son moléculas específicas que al absorber la RUV y la visible, aseguran los efectos biológicos de éstas sobre la piel. Estas moléculas tienen un característico espectro de absorción que depende de su estructura molecular. Los cromóforos son "energizados" por absorción de radiación y este hecho puede llevar a una reorganización molecular y/o a una acción con las moléculas vecinas (reacciones fotoquímicas). Por tanto, ninguna reacción fotoquímica tiene lugar en la piel si la longitud de onda a la que es expuesta la persona no es específicamente absorbida por los cromóforos de la piel.

La piel posee cromóforos endógenos normales o fisiológicos como son el ADN, las proteínas que contienen gran cantidad de aminoácidos aromáticos, los esteroles, los liposomas que dan lugar a reacciones cutáneas obligatorias, las porfirinas y el ácido urocánico en el estrato corneo. La melanina es un absorbente de la radiación lumínica y es el recurso fundamental de protección del daño producido. Al absorber al fotón es convertida a estados excitados, los cuales en su mayor parte los pierde en forma de calor, pero algunas de las moléculas activadas juegan rol en el daño celular y es así que en las quemaduras solares las células tienen mucha melanina. Ella produce daño celular. Otra función fisiológica de la melanina es atrapar y desactivar estados excitados. Además pueden estar los cromóforos anormales o fotosensibilizadores que pueden llevar a consecuencias no esperadas. Las porfirinas expuestas a fuente lumínica apropiada de UVA se activan y reacciona con el oxígeno. El oxigeno en estado singlet reacciona con el lípido de la membrana celular y forma un peróxido lípido que produce daño en la membrana celular. El antraceno actúa sobre organelas citoplasmáticas.

Los efectos biológicos de la exposición a la radiación solar son consecuencia de reacciones fotoquímicas producidas por la interacción de los fotones con los cromóforos normales de la piel. Clásicamente se dividen en función del tiempo que tarda la aparición de estos efectos.

EFECTOS PRECOCES O AGUDOS

• Acción calórica debido a la fracción RIR que provoca vasodilatación cutánea responsable del eritema con elevación de la temperatura cutánea; por mecanismo reflejo la secreción sudoral asegura la regulación térmica. Una sobre exposición puede conducir al golpe de calor por saturación de las posibilidades de termorregulación, especialmente en los infantes.
• Pigmentación inmediata, directa, primaria o fenómeno de Meirowski, producido por la UVA aparece pocos minutos después de la exposición y dura pocas horas. La reacción fotoquímica parece ser una foto oxidación de la melanina.
• Acción antirraquítica de los UVB que inducen la transformación en la epidermis del 7-dehidrocalciferol en colecalciferol, el que a nivel del hígado y riñón será hidrolizado para formar el 1,25 dihidrocolecalciferol.

EFECTOS RETARDADOS

• El eritema actínico, de manifestación clínica tan conocida es producida por UVA. Su mecanismo de acción planteado está entre una acción de la RUV sobre los cromóforos dérmicos (lisosomas endoteliales, membrana de las células endoteliales con liberación de prostaglandinas y membranas de mastocitos peri vasculares con liberación de serotonina e histamina) y una acción indirecta por liberación de mediadores epidérmicos que se difunden hacia la dermis (las prostaglandinas parecen ser mediadores responsables de la vasodilatación).
• Pigmentación retardada o tardía, muy conocida, que se inicia dos días después de la exposición alcanzando su máximo a las 3 semanas y disminuye progresivamente. Su mecanismo de acción es por neosíntesis melánica.
• Hiperplasia epidérmica consecuencia de la interacción de los fotones con el ADN epidérmico. Después de la inhibición inicial sigue un aumento en las mitosis de los queratinocitos a partir de las 48 horas, conduciendo al engrosamiento de la capa cornea. Esta es interpretada como una reacción de fotoprotección.

EFECTOS CRÓNICOS

La dosis de irradiación lumínica recibida por la piel es acumulativa. La aparición de los efectos crónicos dependen tanto de la forma en que las dosis son recibidas como de la fotoprotección natural del individuo.

• Envejecimiento cutáneo precoz o fotoenvejecimiento. Esto es particularmente visible en zonas expuestas (nuca, dorso de manos, frente, pómulos). Actualmente se da la eficacia espectral máxima al UVB y luego al UVA. La RIR parece potenciar el efecto de las RUV al menos en la elastosis.
• Fotocarcinogénesis. El rol de la radiación no iónica sobre la carcinogénesis cutánea no melanoma, esta claramente establecida con argumentos clínicos y epidemiológicos como son la localización en áreas cutáneas más expuestas a la luz, mayor frecuencia de presentación en los que realizan trabajos en áreas abiertas, en sujetos con fotosensibilidad especial (xerodermia pigmentosa, albinismo). La frecuencia se duplica cuando uno se desplaza hacia el Ecuador y se multiplica por 10 en las personas de fototipo I y II que viven en Australia, comparada con personas del mismo fototipo de piel que viven en Gran Bretaña. Además experimentalmente se ha establecido plenamente en el ratón. La relación es dosis dependiente a la dosis acumulativa de UV en el curso de la vida. Las exposiciones precoces jugarían un papel agravante. La RUVB tiene acción casi directa sobre carcinogenésis, la UVA tiene papel inductor La luz y la RIR tendrían un efecto promotor. Su mecanismo íntimo no está bien establecido. En lo que respecta al melanoma maligno cutáneo (MMC) el rol oncogénico del sol no esta bien establecido. Hay ciertos hechos que argumentan en contra, tales como la ausencia de correlación entre la dosis requerida y la aparición de melanoma, la localización frecuente en zonas cubiertas, su aparición a una edad más precoz, observarse más en áreas urbanas y la falta de elastosis solar asociada a MMC. Pero sí podemos decir que el MMC es inducido por la exposición solar en razón de los siguientes hechos: 1) antecedentes de exposiciones intensas y traumáticas (por ej: las observadas en las vacaciones de verano) y el de exposiciones precoces en la vida; 2) La mayor frecuencia de MMC en las pieles de tipos I y II; 3) el melanoma léntigo maligno está localizado casi exclusivamente en zonas expuestas.

Foto inmunología o efectos inmunológicos del Sol.

Kripke, en trabajos experimentales realizados en ratón ha demostrado que algunas respuestas inmunes pueden ser inhibidas por la exposición a la RUV abriendo una senda de investigación aún en explotación. Se ha demostrado que la RUV particularmente la UVB aplicada en forma repetida en ratones inhiben el rechazo de tumores fotoinducidos que les han sido transplantados. Estos tumores fuertemente antigénicos son rechazados cuando se transplantan a ratones no radiados. Esta tolerancia es especifica al tumor y puede ser transferida por inyección de células linfoides provenientes de ratón singénico irradiado. Así mismo se observa que la dosis simple de UVB aplicada a ratones inhibe el desarrollo de hipersensibilidad local por contacto a una sustancia química simple. A dosis mayores; puede producir supresión sistémica de la hipersensibilidad por contacto.

Tanto la tolerancia provocada para tumores fotoinducidos, como la inhibición de la reacción de hipersensibilidad retardada, son debidas a la generación de linfocitos T supresores antígeno específicos.

Los mecanismos de estas dos modificaciones inmunológicas no están claras. Es posible que la irradiación altere la función de los macrófagos involucrados en el procesamiento y presentación de antígenos, especialmente en las células de Langerhans integrantes de la epidermis y que constituye el 4% de su población celular. Hay indicios que la UVC mata a la células de Langerhans; que las UVB son mejores supresores y que las UVA inducen. Esta interacción de la radiación no ionizante con el sistema inmune esta involucrada en la patogenia de algunas enfermedades como la fotoalergia y la urticaria solar Es conocida la exacerbación de enfermedades como el lupus eritematoso, el pénfigo y el penfigoide por radiación solar, así como el efecto benéfico del PUVA y UVB en el tratamiento de la micosis fungoides, liquen plano, vitiligo y otras enfermedades.

Fotobilogía

La Fotobiología es la ciencia que estudia el efecto de la radiación no ionizante sobre los sistemas vivos. Se diferencia así de la Radiobiología que estudia el efecto de las radiaciones ionizantes sobre ellos.

Los efectos generales de la radiación no ionizante sobre el cuerpo son complejos, como por ejemplo, la síntesis de vitamina D en la piel inducidos por irradiación ultravioleta a partir de precursores como esteroles, cambios en los constituyentes químicos y celulares de la sangre acción sobre la psique [1]; acción fisiológica de la luz en animales, actuando a través de los ojos y de la glándula pineal [2]. Hay efectos locales y son los que se ejercen sobre la piel.

Para la comprensión del mecanismo por el que la radiación no ionizante actúa sobre la piel es necesario conocer conceptos básicos relativos a la luz, a la materia y la interacción de radiación lumínica y materia que están en el campo de la Biofísica, por lo que previamente haremos un breve recuerdo de ellos.

El Espectro de Absorción es la medición "in vitro" de la energía absorbida por una molécula y es determinado por un espectrofotómetro que nos da una gráfica de la probabilidad de absorción de la fracción de radiación versus la longitud de onda (Fig.1). Conociendo el espectro de absorción de algunas especies moleculares, se puede predecir si la radiación de una cierta longitud de onda puede producir un efecto fotoquímico en dichas especies moleculares. El Espectro Activo o de Acción es la cantidad de radiación lumínica no ionizante absorbida que es eficaz para producir la reacción fotoquímica; por tanto, no es necesariamente paralela con el Espectro de Absorción, sin embargo los límites de este último deben contener longitudes de onda que se encuentren en el espectro activo. Este concepto es fundamental en fotobiología para definir el nivel de riesgo de piel normal y fotosensible frente a una porción dada del espectro de RUV El Espectro de Acción normal mejor estudiado en piel humana es para el eritema.

Fig. 1: Espectro de absorcion




Bibliografia

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bvrevistas/dermatologia/v12_n2/fotobiologia_cutanea.htm

Wetterberg L, Beck-Friss J, Kjellman BF, Junggren JG. The Circadian Rhythms in melatonin and control secretion in the depression. Adv Biochem Psychopharmacol 1984; 39: 197-205.

Everett MA, Yeargers E, Sayre RM, Olson RL. Penetration of epidermis by ultraviolet rays. Photochem Photobiol 1966; 5: 533-37.

Harber LC, Bickers DR. Photosensitivity Diseases. Principles of Diagnosis and Treatment. Philadelphia: W. B.Saunders, 1981.

Regan JD, Parrish JA. The Science of Photo medicine. New York: Plenum, 1982.

Magnus LA. Dermatological Photobiology. Oxford: Blackwell Scientific, 1976.

Young AR. Principles of Photobiology. Resúmenes del I Congreso Latinoamericano de Fotobiología. Lima, Perú. 2002, p. 7

Bioenergía mitocondrial

Mitocondria del griego: mitocondrias, thread + chondros, gránulo es el sitio donde se lleva a cabo la respiración celular, i.e. el metabolismo aerobio, en la mayoría de los organismos eucariontes (con núcleo verdadero). Lo anterior fue demostrado por A. Lenhinger y E. Kennedy en 1948. Este organelo descubierto en el siglo XIX, varía en tamaño y forma dependiendo de la fuente y el estado metabólico, pero a menudo son elipsoides de aproximadamente 5 µm de diámetro y 1 µm de largo, del tamaño de una bacteria típica. Una célula eucarionte típica contiene mas de 2000 mitocondrias, lo que ocupa alrededor de la quinta parte del volumen celular; esta cantidad es necesaria porque este organelo es la central energética de la célula. Las células de mamíferos que contienen más mitocondrias son las células cardiacas y los espermatozoides.

Las microscopias electrónicas de las mitocondrias, revelan la presencia de dos membranas, una de ellas lisa, en la parte externa del organelo y otra muy plegada, a cada pliegue se le denomina cresta. El número de crestas varía con la actividad respiratoria del tipo particular de célula en estudio. Lo anterior se debe a que las enzimas que llevan a cabo el transporte de electrones y las fosforilación oxidativa, están unidas a esta membrana. En los hepatocitos, las mitocondrias tienen pocas crestas, en las células cardiacas, hay muchas. Debido a lo anterior, en este organelo existen dos espacios, el intermembranal y la matriz. Las enzimas respiratorias, forman parte tanto de la membrana interna, como de la matriz gelatinosa (50 % H₂O). Estas enzimas acoplan la energía producida por la oxidación de los nutrientes a la energía necesaria para sintetizar adenosín trifosfato (ATP), que después de transportarse a los diversos organelos, es utilizado como combustible en diversos procesos.

Las mitocondrias tienen más similitudes con las bacterias que únicamente tamaño y forma. La matriz mitocondrial, contiene DNA, RNA y ribosomas que participan en la síntesis de algunos componentes mitocondrias (el resto es importado del citoplasma después de su expresión desde el núcleo). A pesar de esto, se reproducen por fisión binaria, además el proceso respiratorio que llevan a cabo, es muy semejante al que se observa en bacterias aerobias actuales. A partir de estas observaciones, Lynn Margulis propuso que el origen de las mitocondrias modernas es a partir de la endosimbiosis (endo, dentro + simbiosis relación biológica con beneficio mutuo) de bacterias aerobias con eucariontes anaerobios antiguos.  Los nutrientes abastecidos por el eucarionte y consumidos por la bacteria, fueron presumiblemente reembolsados con creces, debido a la alta eficiencia metabólica oxidativa que el procarionte  (sin núcleo), le dio al eucarionte. La corroboración de la teoría endosimbiótica se da en la amiba Pelomyxa  palustris, uno de los pocos eucariontes que carece de mitocondrias. Esta amiba, permanentemente hace endosimbiosis con bacterias aerobias. El origen de diversos organelos también se puede explicar a partir de la teoría endosimbiótica.

A la mitocondria, se le considera la central energética de las células, ahí se lleva a cabo el metabolismo oxidativo de los eucariontes: actividades de piruvato deshidrogenasa, enzimas del ciclo del acido citrico, oxidacion de los acidos grasos y las enzimas y proteínas redox que llevan a cabo el transporte de electrones y la fosforilacion oaxidativa.

La membrana externa de la mitocondria contiene porinas, que son proteínas que forman poros no específicos que permiten la entrada por libre difusión de moléculas mayores a 10 kD. La membrana interna contiene aproximadamente 75 % de la proteína en peso, es mucho más rica en proteínas que la membrana externa. A través de la membrana interna únicamente son permeables CO₂, O₂ y H₂O, para permitir el paso de metabolitos como el ATP, ADP, piruvato, Ca²⁺ y fosfato, existen proteínas que controlan este transporte. Esta impermeabilidad controlada permite la generación de gradientes ionicos y resulta en la compartamentalización de funciones metabólicas entre el citoplasma y la mitocondria.

La mitocondria es el sitio del metabolismo oxidativo de los eucariontes. Contiene, como demostraron A. Lenhinger y E. Kennedy en 1948, la piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, las enzimas que catalizan la oxidación de los ácidos grasos y las enzimas y proteínas redox que intervienen en el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. Por ello se le describe como la “planta de energía” de la célula.

Varían considerablemente en tamaño y forma dependiendo de la fuente y el estado metabólico. Típicamente son elípticas con aproximadamente 0.5 µm de diámetro y 10 µm de largo.

Las mitocondrias contienen dos membranas, una externa y una interna, que está invaginada, a cada invaginación se le denomina cresta, cuyo número varía con la actividad respiratoria y el tipo de célula.

El interior es de carácter gel (aproximadamente 50% agua), llamada matriz, la cual contiene una elevada concentración de enzimas solubles para el metabolismo oxidativo (ciclo de los ácidos tricarboxílicos), así como substratos, cofactores e iones inorgánicos. También contiene la maquinaria genética propia del organelo (ADN, ARN y ribosomas), la cual genera muchas proteínas mitocondriales que se utilizan en este organelo y unas cuantas que se utilizan en otras entidades celulares.

En la membrana externa hay porinas, que permiten el libre paso de sustancias mayores a 10 kD.

La membrana interna está compuesta por 75% de proteínas y 25% lípidos. Es permeable solamente a O₂, CO₂ y H₂O. Además de las proteínas de la cadena de transporte de electrones, contiene numerosas proteínas de transporte, que controlan el paso de ATP, ADP, piruvato, Calcio y fosfato. Esta impermeabilidad controlada permite la generación de gradientes a través de ella, lo cual resulta en la compartamentalización de funciones entre el citoplasma y el organelo.

Sistemas de transporte en la membrana interna:

1.     NADH producido por la glucólisis es necesario para la oxidación aeróbica en la cadena de transporte de electrones.

2.     Oxaloacetato, acetil-CoA, precursores de la síntesis citosólica de glucosa y ácidos grasos.

3.     ATP de origen mitocondrial ® citosol y ADP y Pi ® mitocondria.

4.     Transporte de Pi.

5.     Transporte de Ca²⁺.

6.     Transporte de elecrones - Fosforilacion oxidativa.

Bibliografia

http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/generalidades%20mitocondria.html

www.cib.csic.es/es/grupo.php?idgrupo=39

ofertaimasd.ugr.es/.../analisis-de-la-bioenergetica-mitocondrial

ATP

La energía en los seres vivos se obtiene mediante una molécula llamada ATP (adenosín trifosfato). Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP la molécula que interviene en todas las transacciones (intercambios) 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. En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP (adenosín difosfato), rompiéndose un solo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que suele transferirse a otra molécula en lo que se conoce como fosforilación; sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP (adenosín monofosfato) + 2 grupos fosfato.

El sistema ATP <—-> ADP es el sistema universal de intercambio de energía en las células.
Los procesos celulares que llevan a la obtención de energía (medida en moléculas de ATP) son la fotosínteis y la respiración celular:

La adenosina trifosfato (abreviado ATP, y también llamada adenosín-5'-trifosfato o trifosfato de adenosina) es una molécula utilizada por todos los organismos vivos para proporcionar energía en las reacciones químicas. También es el precursor de una serie de coenzimas esenciales como el NAD+ o la coenzima A. El ATP es uno de los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular. Además, es una coenzima de transferencia de grupos fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimas quinasas (co-sustrato).

El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann. En 1941, Fritz Albert Lipmann propuso el ATP como principal molécula de transferencia de energía en la célula.

Propiedades y estructura

El ATP es un nucleótido trifosfato que se compone de adenosina (adenina y ribosa, como β-D-ribofuranosa) y tres grupos fosfato. Su fórmula molecular es C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃. La estructura de la molécula consiste en una base purina (adenina) enlazada al átomo de carbono 1' de un azúcar pentosa. Los tres grupos fosfato se enlazan al átomo de carbono 5' de la pentosa. Los grupos fosforilo, comenzando con el grupo más cercano a la ribosa, se conocen como fosfatos alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza rápidamente a pH extremo. Por consiguiente, se almacena mejor como una sal anhidra.

La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol y su acidez es de 6.5. Es una molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se convertirán a ADP. Las células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de magnitud del equilibrio, siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla de ATP y ADP en equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil. El ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como una forma de almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del equilibrio.

El ATP tiene múltiples grupos ionizables con diferentes constantes de disociación del ácido. En solución neutra, el ATP está ionizado y existe principalmente como ATP^4-, con una pequeña proporción de ATP^3-. Como tiene varios grupos cargados negativamente en solución neutra, puede quelar metales con una afinidad muy elevada. El ATP existe en la mayoría de las células en un complejo con Mg²⁺.

FUNCIONES

Fuente de energía

El ATP es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas. También desempeña un papel fundamental en el transporte de macromoléculas a través de las membranas celulares, es decir, en la exocitosis y endocitosis.

Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol:



Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:



La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:



La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato.

Sin embargo, hay un nivel de entalpía a sobrepasar antes de liberar esta energía (estado de transición). Esto explica por qué la hidrólisis de los enlaces pirofosfato no sucede todo el tiempo. Las enzimas son capaces de reducir ese umbral de entalpía para utilizar la energía liberada.

Si la energía se almacena en los enlaces anhídridos, podríamos preguntarnos cuál es el interés de los seres vivos para sintetizar la molécula en su conjunto y no sólo el pirofosfato libre. La razón es, probablemente, la capacidad de las enzimas para reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos libres, que son muy similares a todos los grupos fosfatos presentes en las biomoléculas.

El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP. La coenzima ATP/ADP es un proveedor de energía universal, y es la principal fuente de energía directamente utilizable por la célula. En los seres humanos, el ATP constituye la única energía utilizable por el músculo.

En la síntesis del ácido nucleico ARN, el ATP es uno de los cuatro nucleótidos incorporados directamente en las moléculas por las enzimas ARN polimerasas. La energía que conduce esta polimerización procede de la ruptura del pirofosfato (dos grupos de fosfato). El proceso es similar en la biosíntesis de ADN, salvo que el ATP se reduce al desoxirribonucleótido dATP, antes de su incorporación en el ADN.

El ATP está críticamente involucrado en el mantenimiento de la estructura celular, facilitando el montaje y desmontaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso similar, el ATP es necesario para el acortamiento de los filamentos de actina y miosina necesarios para la contracción muscular. Este último proceso es una de las principales necesidades energéticas de los animales y es esencial para la locomoción y la respiración.

Señalización extracelular

El ATP, el ADP o la adenosina son reconocidos por los receptores purinérgicos. En los seres humanos, esta señalización tiene un importante papel tanto en el sistema nervioso central como en el periférico. La liberación de ATP de las sinapsis, los axones y la neuroglía activa los receptores de membrana purinéricos conocidos como P2. Los receptores P2Y son metabotrópicos, es decir, modulan el calcio intracelular y, a veces, los niveles de AMP cíclico.

Señalización intracelular

Es utilizado por las quinasas como la fuente de grupos fosfato en sus reacciones de transferencia de fosfato. La actividad de las quinasas sobre los sustratos como las proteínas o los lípidos de la membrana son una forma común de transducción de señales. La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar esta cascada.

La adenilato ciclasa también usa el ATP y lo transforma en AMP cíclico (AMPc), una molécula segundo mensajero que está involucrada en el desencadenamiento de las señales de calcio mediante la liberación de calcio intracelular. Esta forma de transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral, aunque está involucrada en la regulación de multitud de otros procesos celulares.

Síntesis de desoxirribonucleótidos

En todos los organismos conocidos, los desoxirribonucleótidos que componen el ADN se sintetizan por la acción de enzimas ribonucleótido reductasas (RNR). Estas enzimas reducen el grupo hidroxilo 2' en el azúcar ribosa, que pasa a ser desoxirribosa, formando un desoxirribonucleótido (dATP). Todas las enzimas ribonucleótido reductasas usan un radical sulfidrilo común en un mecanismo de reacción que depende de los residuos cisteína, que se oxidan para formar enlaces disulfuro en el curso de la reacción. Las enzimas RNR son recicladas mediante reacción con tiorredoxina o glutaredoxina.

ALMACENAMIENTO DE ATP

Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo. En principio, el ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida (como es el caso de determinados gases de combate diseñados para tal fin; o venenos como el cianuro, que bloquean la cadena respiratoria; o el arsénico, que sustituye el fósforo y hace que sean inutilizables las moléculas fosfóricas).

Las moléculas de creatina enlazan un fosfato mediante un enlace rico en energía como el ATP. El ADP puede convertirse en ATP por acoplamiento con la hidrólisis de fosfato de creatina. La creatina, por tanto, recicla el fosfato liberado por la hidrólisis de la molécula de ATP original. Esto ayuda a mantener la energía fácilmente movilizada sin agotar las reservas de ATP.

El ATP no se puede almacenar en su estado natural, sino sólo como intermediarios de la cadena de producción de ATP. Por ejemplo, el glucógeno puede ser convertido en glucosa y aportar combustible a la glucolisis si el organismo necesita más ATP. El equivalente vegetal del glucógeno es el almidón. La energía puede también ser almacenada como grasa, mediante neo-síntesis de ácidos grasos.

Bibliografia

http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/Energiaseresvivos.htm

http://www.coenzima.com/adenosina_trifosfato_atp

Reacciones redox

Cada vez que utilizamos un motor, una lámpara eléctrica o calórica o una bujía para encender la gasolina en una máquina de combustión interna, utilizamos el flujo de electrones para realizar trabajo. En el circuito que enciende un motor, la fuente de electrones es la batería que contiene dos especies químicas con diferente afinidad por los electrones. Los cables proveen del camino para el flujo de los electrones desde las especies en un polo de la batería, a través del motor a las especies químicas en el otro polo de la batería. Debido a que estas dos especies químicas difieren en su afinidad por los electrones, el flujo de electrones es espontáneo a través del circuito con una fuerza proporcional a la diferencia en la afinidad electrónica, i.e.  la fuerza electromotriz (FEM). La FEM, típicamente de algunos voltios (volts), es acompañada de trabajo si se coloca un transductor de energía apropiado –en este caso el motor- en el circuito. Este acoplamiento del flujo de electrones y el trabajo, es utilizado por el motor para diferentes finalidades.

Las células poseen un circuito biológico análogo al motor, con compuestos relativamente reducidos como la glucosa como fuente de electrones. Como la glucosa es oxidada enzimáticamente, el flujo de electrones migra espontáneamente a través de una serie de intermediarios acarreadores de electrones a otras especies como el O₂. este flujo de electrones es exergónico porque el O₂ posee una elevada afinidad por los electrones comparada con los intermediarios acarreadores de electrones. La FEM resultante provee de energía a una variedad de transductores moléculaeculares de energía (enzimas y otras proteínas) que hacen trabajo biológico. En la mitocondria, por ejemplo, existen enzimas membranales que acoplan el flujo de electrones a la producción de una diferencia transmembranal de pH, lo cual es acompañando por trabajo osmótico y eléctrico. El gradiente de protones es energía potencial, a menudo denominada fuerza protón-motriz por analogía con la FEM. Por otra parte la enzima ATPsintasa ubicada en la membrana interna mitocondrial, utiliza esta fuerza protón-motriz para hacer trabajo químico, es decir, la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a medida que los protones migran espontáneamente a través de la membrana.

Las oxidaciones y reducciones ocurren de manera concertada, pero es conveniente para describir la transferencia de electrones considerarlas en mitades, una de oxidación y otra de reducción. Por ejemplo la oxidación del ion ferroso por el ion cúprico

Fe²⁺ + Cu²⁺ D F^e3+ + Cu⁺

Puede ser descrita en términos de dos mitades:

(1)         Fe²⁺ DF^e3+ + e-

(2) Cu²⁺ + e- D Cu⁺

Las reacciones de oxido-reducción, se llevan a cabo con la transferencia de electrones desde un donador electrónico (reductor) a un aceptor electrónico (oxidante). El cation fierro puede existir como ferroso (Fe²⁺) o como férrico (Fe³⁺) funcionando como un par de oxido-reducción o par redox, exactamente como un par acido base (donador de protones Û aceptor de protones + H⁺).

Ocurren reacciones de oxidación –reducción (redox) cuando las sustancias que se combinan intercambian electrones. De manera simultánea, con dicho intercambio, tiene lugar una variación en el

 número de oxidación puede definirse como la carga real o virtual que tienen las especies químicas (átomos, moléculas, iones) que forman las sustancias puras. Esta carga se determina con base en la electronegatividad1 de las especies según las reglas siguientes.

El

 Número de oxidación de un elemento químico: El número de oxidación de un elemento químico es de cero ya sea que este se encuentre en forma atómica o de molécula polinuclear.

1.

número de oxidación (estado de oxidación) de las especies químicas que reaccionan. El manejo del número de oxidación es imprescindible para el balanceo de las reacciones redox.

2.

Número de oxidación de un ion monoatómico: El número de oxidación de un ion monoatómico (catión o anión) es la carga eléctrica real, positiva o negativa, que resulta de la pérdida o ganancia de electrones, respectivamente.

3.

Número de oxidación del hidrógeno: El número de oxidación del hidrógeno casi siempre es de 1+ , salvo en el caso de los hidruros metálicos donde es de 1–.

4.

 Números de oxidación de los elementos que forman compuestosLos números de oxidación de los elementos que forman compuestos2 que se asignan con base en la electronegatividad de los elementos combinados. Al elemento más electronegativo se le asigna la carga negativa total (como si fuera carga iónica). Al otro elemento del compuesto se le asigna carga positiva (también como si fuera carga iónica). En los compuestos binarios covalentes, la carga virtual se asigna según la secuencia que aparece a continuación. El elemento que llevará la carga virtual negativa se halla a la derecha de la lista y los que le preceden llevarán la carga positiva.

5.

covalentes binarios: 

covalentes binarios (compuestos que se forman entre no metales) son las cargas virtuales

Número de oxidación del oxígeno: El número de oxidación del oxÍgeno casi siempre es de 2–, (O2–) salvo en los peróxidos, donde es de 1–, (O2 2–) y en los hiperóxidos donde es de ½– (O2 1–).

6. Número de oxidación de un catión o anión poliatómicos: 

El número de oxidación de un catión o anión poliatómicos es la carga virtual que se asigna a los elementos combinados con base en la electronegatividad de dichos elementos. La carga virtual que se asigna se considera como si fuera el resultado de la trasferencia total de electrones (carga iónica).

7.

8. Números de oxidación y cargas en compuestos iónicos poliatómicos:

Cuando se tiene la fórmula completa de un compuesto iónico, la sumatanto de los números de oxidación como de las cargas debe ser de cero.Carga de los iones poliatómicos: Es la carga iónica que resulta cuando se suman los números de oxidación de los elementos que forman dicho ion.

Bibliografia

http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/reacciones%20redox.html

http://depa.pquim.unam.mx/qg/Apoyo/BALANCEO%20DE%20REACCIONES%20REDOX.pdf