sábado, 20 de mayo de 2017

6 COENZIMAS Y MEMBRANA CELULAR EN LA RESPIRACIÓN CELULAR

6.1 La importancia de las coenzimas reducidas en la síntesis de ATP

Es evidente que el mayor productor de la oxidación de los ácidos tricarboxilicos o ciclo de Krebs a parte del desecho de dióxido de carbono son coenzimas altamente reducidas, una de ellas ya la habíamos trabajado en la glucolisis y es el NADH, la otra molécula es la de FADH2. Ambas coenzimas poseen tanto un protón como un par de electrones de alta energía que enlazan al protón con la coenzima. Por lo anterior es fácil señalar que la energía celular se encuentra en este enlace, y que el rompimiento de este enlace es el que permitirá en pasos subsecuentes de la respiración aeróbica la síntesis de ATP.

Aun así hace falta una consideración adicional, si se recuerda de la glucolisis, esta ruta metabólica produce dos moléculas de NADH durante el primer paso de obtención de energía después de la isomerización de las moléculas de tres carbonos. El problema resulta del hecho de que el NADH difícilmente logra atravesar la membrana, por esta razón se establece un mecanismo alterno.

En lugar de transportar a la coenzima completa a través de la membrana, lo que se hace es translocar el par de electrones energético disociando su hidrogeno en el citosol del NAD. Luego, los electrones de alta energía son empleados para la síntesis de FADH2. Una vez se resintetiza un portador de electrones y protones en el interior de la mitocondria, puede integrarse totalmente los productos de la glucolisis a la respiración celular aeróbica mediante la cadena de transporte de electrones.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).


6.2 La importancia de la membrana de la mitocondria en la síntesis de ATP

Las mitocondrias generalmente son descritas como generadores de energía en miniatura. Una analogía cercana es a la de un motor de combustión interna, la mitocondria extrae la energía de los materiales biológicos mediante un procedo oxidativo para generar energía operativa. Al igual que las plantas de producción de energía en base a carbón, la primera forma de energía que es generada después de la oxidación es energía eléctrica. Más específicamente, la energía extraída de los sustratos orgánicos es empleada para generar un gradiente “diferencial de cargas “es decir cargas separadas por una membrana”” de iones separados por la membrana interna de la mitocondria.

Y de manera similar, esta electricidad puede emplearse para realizar trabajo mecánico. Los gradientes ionicos son un mecanismo de paso de sustancias a través de membrana que es muy empleado por diferentes células de los seres vivos. En ocasiones como ocurre con la respiración celular el truco es generar una enorme presión a ambos lados de la membrana parta que luego pueda generarse transportes pasivos que liberan esa energía de forma controlada. Las mitocondrias emplean este gradiente iónico a través de sus membranas internas para realizar una serie de reacciones que conllevan a la síntesis de grandes cantidades de energía en forma de ATP. Debido a que el proceso de adición de grupo fosfato a portadores de energía en forma de ADP y GTP en base a la oxidación completa de sustratos organicos a este proceso se lo ha denominado fosforilación oxidativa “adición de fosfato en base a oxidación”.

Personalmente la analogía que más me gusta para describir a la fosforilación oxidativa es la de una planta eléctrica que produce su energía por medio de agua. En este caso el sol eleva el agua hasta una altura tal que cae sobre una montaña. Una vez que se acumula suficiente agua esta fluye hasta el generador eléctrico que se mueve de manera mecánica para generar energía. En la fosforilación oxidativa el papel de la represa lo juega la membrana interna de la mitocondria, y los electrones de alta energía que son cedidos por el FAD:H2 y el NAD:H hacen el papel del Sol. Cuando los electrones fluyen a través de los citocromos o portadores de electrones insertados en la membrana, pierden energía. Esta energía es empleada para que los citocromos impulsen “transloquen” un protón (H+) desde el interior de la matriz mitocondrial hacia el exterior de la membrana interna.

Paulatinamente los protones se acumulan de manera exagerada en la región intermembranal cargando esta sección con un voltaje positivo. Finalmente, los protones llegan a acumularse a un nivel crítico en el que deben regresar al otro lado de la membrana ejerciendo una presión osmótica y eléctrica sobre esta. Esta fuerza es canalizada por la célula a través de la proteína final, la F1F0 ATP sintetasa. Esta proteína al igual que un generador, deja pasar los protones de regreso para equilibrar las cargas a ambos lados de la membrana, y en el proceso se genera un movimiento en la proteína que transfiere suficiente energía para sintetizar ATP. Algunos estimados han llegado a la conclusión de que la fosforilación oxidativa permite la síntesis de 160Kg de ATP al día en nuestros cuerpos. Obviamente mucha de esa energía es consumida y regenerada constantemente a lo largo del día.

El entendimiento de los mecanismos de la fosforilación oxidativa ha sido uno de los más grandes logros  de la biología celular y de la biología molecular, y las lagunas que aún posee el modelo sigue siendo un área de estudio muy activa actualmente.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

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