LOS SENTIDOS

VISTA.

El proceso visual comienza con la conversión de paquetes de energía electromagnética llamados fotones o cuantos de luz, a una señal que puede ser analizada por el cerebro. Esta conversión es llevada a cabo por las células fotorreceptoras del ojo, un conjunto de células especializadas que se localizan en la retina.

En el ojo de la mayoría de los vertebrados existen dos tipos de células fotorreceptoras: los bastoncillos y los conos. Los bastoncillos son células cilíndricas y tienen mayor tamaño, mientras que las células cónicas, más pequeñas, son los conos. Los bastoncillos median la visión en luz tenue formando imágenes en blanco y negro, y son tan sensibles que pierden la capacidad de transmitir señales en condiciones de luz diurna. Los conos, por su parte, operan eficientemente a niveles luminosos elevados y permiten la percepción del color.

Los bastoncillos y los conos difieren tanto morfológicamente como en su función, pero mantienen ciertas semejanzas. La parte superior de las células, el segmento externo, contiene los pigmentos que detectan y absorben la luz, así como toda la maquinaria molecular encargada de la transmisión de la señal y del inicio del impulso nervioso. La parte inferior, el segmento interno, contiene los organelos y el núcleo, y está especializado en la generación de la energía que requiere la célula para su funcionamiento, y en la renovación de las moléculas necesarias en el segmento externo. Además, el segmento interno incluye una terminación sináptica que provee la base para la comunicación con las otras células de la retina.

Si una retina aislada es agitada ligeramente, los segmentos externos de las células fotorreceptoras se desprenden y la maquinaria de excitación visual puede ser estudiada en una forma altamente purificada. Debido a su mayor número, muchos estudios en el campo de la visión se han concentrado en los bastoncillos. Los segmentos externos de los bastoncillos son tubos angostos llenos de aproximadamente 2.000 discos apilados. Los estrechos discos contienen grandes cantidades de las proteínas que absorben la luz e inician la respuesta de excitación. La membrana externa, por otro lado, sirve para convertir la señal química en una señal eléctrica.

Embebido en la membrana lipídica de los discos de los segmentos externos de los bastoncillos se encuentra el pigmento visual denominado rodopsina, el cual representa el 80% del total de las proteínas celulares, y al menos el 95% de las proteínas de las membranas del segmento externo. La rodopsina contiene dos componentes, una porción proteica llamada opsina, y el cromóforo 11-cis-retinal, que es un derivado de la vitamina A. Ambos componentes se encuentran unidos covalentemente a través de una base de Schiff protonada entre el grupo e -amino de la Lys₂₉₆ de la opsina y el grupo aldehído del retinal.

La elucidación de la secuencia de aminoácidos de la rodopsina condujo a la propuesta de un modelo topográfico, que se basa en la presencia de siete regiones de aminoácidos predominantemente hidrofóbicos separados por regiones conectoras de residuos predominantemente hidrofílicos. La presencia de estas siete regiones sugirió que la rodopsina contiene siete hélices a que atraviesan la bicapa lipídica, e identificó a la rodopsina como uno de los miembros de la superfamilia de receptores tipo serpentina, que funcionan acoplados a proteínas enlazadoras de nucleótidos de guanina o proteínas G.

Las proteínas G son heterotrímeros compuestos de subunidades a , ß y g . Existen muchos productos génicos codificando para estas subunidades (hasta la fecha se han descubierto 20 a , 6 ß y 12 g ); sin embargo, sólo cuatro clases principales de proteínas G han sido definidas: G_S, G_I/G_o, G_q, y G₁₂/G₁₃. Las proteínas G juegan un papel regulador importante en un gran número de mecanismos de transmisión de señales, acoplando proteínas receptoras transmembranales de siete hélices (GPCRs), a proteínas efectoras específicas. Miles de receptores GPCRs se conocen, y muchos más están siendo descubiertos todo el tiempo. Estos receptores serpentina están involucrados en el reconocimiento de señales tan diversas como la luz, el Ca²⁺, los olores, ciertas moléculas pequeñas que incluyen aminoácidos, nucleótidos y péptidos, y algunas proteínas; controlando así la actividad de enzimas, canales iónicos, y el transporte de vesículas, vía catálisis del intercambio de GDP por GTP sobre sus correspondientes proteínas G. Dentro del plan arquitectónico común de los GPCRs, los lazos intracelulares que conectan las hélices a transmembranales, constituyen el dominio de enlazamiento de las proteínas G. Aunque aún no ha sido determinada la estructura de alta resolución de ningún receptor acoplado a proteína G, las estructuras de difracción electrónica de baja resolución de las rodopsinas de bovino y de rana, publicadas en la década pasada, muestran la posición y orientación de estas siete hélices a en la rodopsina. Experimentos bioquímicos y de mutagénesis, con una variedad de GPCRs, sugieren que la activación del receptor causa cambios en las orientaciones relativas de las hélices transmembranales 3 y 6, como producto del enlazamiento de su ligando. Estos cambios afectan la conformación de los lazos intracelulares que interactúan con las correspondientes proteínas G, poniendo al descubierto los sitios de enlazamiento de dichas proteínas, previamente enmascarados.

Volviendo al proceso de excitación visual, el primer evento en este mecanismo es la absorción de un fotón por el cromóforo 11-cis-retinal de la rodopsina, lo que produce su isomerización a la forma todo-trans. Este evento ocurre mediante una serie de transformaciones fotoquímicas de la rodopsina que conllevan a la aparición de diversos fotointermediarios, los cuales poseen absorción óptica máxima característica. Finalmente, el último fotointermediario es hidrolizado a opsina y todo-trans retinal. La cascada visual está mediada por la metarodopsina II que es el fotointermediario responsable de transmitir la señal luminosa a las otras proteínas de la ruta de señalización visual, y es por ello que es considerada la rodopsina fotoexcitada o fotoactivada (R^*).

El siguiente paso en la excitación visual es la activación de la transducina por R^*. La transducina es una proteína periférica de la membrana que pertenece a la familia de las proteínas G heterotriméricas, y como tal posee tres cadenas polipeptídicas conocidas como las subunidades a (Ta ), b (Tb ), y g (Tg ). Por sus características estructurales ha sido clasificada como una proteína G tipo G_I/G_o. A oscuras, la transducina se encuentra en su forma inactiva, enlazada a GDP. Por efectos de la luz, R^* interacciona fuertemente con la transducina ligada a GDP. R^* promueve el intercambio de GDP por GTP sobre la unidad Ta , formándose primero un intermediario en el cual R^* está unido a la transducina con su bolsillo de enlazamiento de nucleótidos vacío, y luego un complejo de la R^* con la transducina ligada a GTP. Ta -GTP constituye la forma activada de la transducina (Ta ^*). Ta ^*-GTP disminuye su afinidad tanto por Tb g , como por R^*, y estos cambios en afinidades son críticos para el proceso de excitación. La liberación de la rodopsina fotoestimulada de su complejo con la transducina permite que R^* actúe catalíticamente e interaccione con otras transducinas, activándolas. Cerca de 500 moléculas de Ta ^*-GTP pueden ser formadas por acción de una simple molécula de R^*. La activación de la transducina es la primera etapa de amplificación en este proceso .

La disociación de la transducina en sus subunidades permite a Ta-GTP transportar la señal de excitación a la siguiente enzima en la cascada, la fosfodiesterasa de GMP cíclico (PDE). Ta ^*-GTP activa a la PDE, al liberarla de la inhibición impuesta por sus subunidades g o I reguladoras. La PDE activada (PDE^*) cataliza la hidrólisis de GMP cíclico (cGMP) a 5’-GMP. Miles de moléculas de cGMP pueden ser hidrolizadas rápidamente a partir de una molécula de PDE^*, y en consecuencia, este evento se considera el segundo paso de amplificación de la cascada visual.

¿Cuál es el efecto de la hidrólisis de cGMP por la PDE?. En la oscuridad, la concentración total de cGMP es alta. Bajo estas condiciones, el cGMP mantiene abiertos los canales catiónicos presentes en la membrana plasmática de los bastoncillos, permitiendo la "corriente oscura" producto del transporte de iones de Na⁺ y Ca²⁺ que despolarizan la célula. La hidrólisis de cGMP por efecto de la fotoactivación de la PDE causa el cierre de los canales, reduciendo así la corriente circulante. Es por ello que la membrana plasmática sufre una hiperpolarización en respuesta a una señal luminosa. Estos cambios de voltaje son comunicados a las células contiguas, localizadas en la retina, por transmisión química a través de las terminaciones sinápticas de las células fotorreceptoras.

Hay varios eventos que regulan esta cascada. Por un lado, la actividad GTPasa inherente a Ta convierte a Ta ^*-GTP en Ta ^*-GDP, lo que produce la desactivación de la PDE^*, y promueve la reconstitución de la forma holoenzimática de la transducina para que el ciclo se repita. Proteínas tales como la RGS 9 (o proteína reguladora 9 de la señalización de las proteínas G), así como la subunidad inhibitoria g o I de la PDE, actúan como proteínas GAPs que funcionan estimulando dicha actividad GTPasa. Sin embargo, el ciclo regenerador de la transducina puede ser interrumpido por la acción de una fosfoproteína llamada fosducina. La fosducina, en su estado desfosforilado, es capaz de enlazarse selectivamente a Tb g y formar un complejo muy estable. Al bloquear el enlazamiento de Ta a Tb g , y evitar la reconstitución de la transducina heterotrimérica, la fosducina permite que Ta ^*-GTP actúe por mayor tiempo, y no sea reciclada tan rápidamente. Este evento está controlado por procesos de fosforilación y desfosforilación mediados por la proteína quinasa dependiente de AMP cíclico y una proteína fosfatasa aún no determinada. La hidrólisis del GTP enlazado a Ta es necesaria pero no suficiente para restituir el sistema a su estado de oscuridad. El decaimiento espontáneo de R^*, correlacionado con la liberación del cromóforo, es muy lento. Como también se muestra en la figura 5, existe un proceso más rápido de inactivación, el cual es dependiente de ATP. Este proceso se basa en la fosforilación de R^* por una proteína quinasa específica, la rodopsina quinasa (R^*-Kinase), seguida por el enlazamiento de una proteína soluble, la arrestina (A), la cual reconoce a la R^* fosforilada en una serie de residuos de Ser y Thr presentes en su extremo COOH-terminal. La arrestina detiene la acción de R^* al bloquear competitivamente el enlazamiento de la transducina a la rodopsina fotoactivada. El estado oscuro de la rodopsina ligada a 11-cis-retinal es regenerado por una serie de reacciones que involucran la hidrólisis de la unión tipo base de Schiff, la disociación del todo-trans retinal, la disociación de la arrestina, la desfosforilación de la rodopsina fosforilada por una proteína fosfatasa tipo 2A específica de los bastoncillos, y finalmente el re-enlazamiento del 11-cis-retinal.

El Ca²⁺ también ejerce efectos muy importantes en la cascada de señalización visual. Los niveles citosólicos de calcio disminuyen en presencia de luz, no solamente porque cesa su entrada a través de los canales sensibles a cGMP, sino también porque su eflujo se mantiene constante a través de una proteína intercambiadora de Na⁺/Ca²⁺ localizada en la membrana plasmática de los bastoncillos. Cuando la concentración de calcio disminuye por debajo de 10 nM, se estimula una proteína guanililo ciclasa, localizada también en la membrana, la cual sintetiza cGMP a partir de GTP. Esto conlleva a la recuperación de los niveles de cGMP presentes en el estado de oscuridad. Además, existen otras proteínas moduladoras de la cascada de excitación, las cuales funcionan de una manera dependiente de la concentración de calcio. Por un lado la calmodulina regula directamente los canales catiónicos de compuerta dependientes de cGMP. Otra proteína llamada recoverina, regula la acción de la rodopsina quinasa de una manera dosis-dependiente de calcio. Finalmente, también existen varias proteínas activadoras de la guanilio ciclasa, llamadas proteínas GCAP’s, las cuales modulan la acción de esta enzima de una forma dependiente de la concentración del ion divalente.

GUSTO

Para los sabores ácidos, las soluciones que son saladas o ácidas activan las células gustativas abriendo un canal iónico específico, que se caracteriza por una alta permeabilidad a los iones de sodio. Este canal es inhibido por una sustancia llamada amilorida. La apertura de este canal iónico despolariza la célula gustativa, lo que da lugar a la excitación de las fibras gustativas eferentes con las que están conectada. Las soluciones ácidas siempre son de bajo pH y el aumento de la concentración de iones de nitrógeno da lugar al cierre de un canal de sodio. Una vez más, la activación del receptor gustativo da lugar a la despolarización de la célula gustativa. La despolarización abre los canales de calcio dependientes de voltaje, lo que desencadena la exocitosis del neurotransmisor, por parte de las células gustativas, lo que excita a las células nerviosas aferentes apropiadas. 

En el sabor ácido, la transducción ácida se inicia con el aumento de H+, lo cual provoca un aumento de la conductancia de Na+ y disminución de la concentración de K+, paso seguido de esto, se lleva a cabo la despolarización de la célula gustativa, se propicia la secreción de el neurotransmisor por la célula gustativa, finalmente el resultado es la excitación de la fibra nerviosa eferente gustativa.

En el caso de las sustancias amargas, estas activan la fosfolipasa C, y el aumento consiguiente del calcio intracelular da lugar a la liberación de un neurotransmisor en las eferentes gustativas. 

Tanto las sustancias amargas y dulces se unen a receptores específicos que están acoplados a proteínas G. Las sustancias dulces activan la adenil ciclasa y aumentan la concentración celular de AMP cíclico. Acto seguido, el AMP ciclíco cierra en canal de potasio, lo que da lugar a una despolarización de la célula gustativa y a la excitación de las eferentes apropiadas.

OLFATO.

El sentido del olfato, al igual que el sentido del gusto, es un sentido químico. Se denominan sentidos químicos porque detectan compuestos químicos en el ambiente, con la diferencia de que el sentido del olfato funciona a distancias mucho más largas que el sentido del gusto. El proceso del olfato sigue más o menos estos pasos:

1.Las moléculas del olor en forma de vapor (compuestos químicos) que están flotando en el aire llegan a las fosas nasales y se disuelven en las mucosidades (que se ubican en la parte superior de cada fosa nasal).

2.Debajo de las mucosidades, en el epitelio olfatorio, las células receptoras especializadas, también llamadas neuronas receptoras del olfato, detectan los olores. Estas neuronas son capaces de detectar miles de olores diferentes.

3.Las neuronas receptoras del olfato transmiten la información a los bulbos olfatorios, que se encuentran en la parte de atrás de la nariz.

4.Los bulbos olfatorios tienen receptores sensoriales que en realidad son parte del cerebro que envían mensajes directamente a:

◦los centros más primitivos del cerebro donde se estimulan las emociones y memorias (estructuras del sistema límbico) y centros “avanzados” donde se modifican los pensamientos concientes (neocorteza).

5.Estos centros cerebrales perciben olores y tienen acceso a recuerdos que nos traen a la memoria personas, lugares o situaciones relacionadas con estas sensaciones olfativas.

REFERENCIAS
- http://caibco.ucv.ve/caibco/vitae/VitaeCinco/Articulos/Neurociencias/proceso.htm

Permeabilidad de la membrana

La permeabilidad selectiva de las membranas determina qué tipo de sustancias pueden entrar y salir de la célula. El ingreso de sustancias necesarias, el pasaje de agua y la salida de los productos de desecho, se verán posibilitados y regulados por medio de la membrana plasmática. 

Los distintos tipos de pasaje a través de la membrana pueden clasificarse en dos grandes grupos. En uno de ellos, los iones o moléculas pequeñas son transportados por las membranas, sin que estas experimenten deformaciones evidentes. En el otro mecanismo, denominado transporte en masa, las macromoléculas o partículas de mayor tamaño son incorporadas a la célula o eliminadas de ella por medio de procesos que incluyen cambios visibles en las membranas.  

Permeabilidad de moléculas pequeñas

El pasaje de estas moléculas va a depender de si las mismas se movilizan a favor o en contra de su gradiente de concentración. Cuando lo hagan a favor del gradiente, pasarán en forma pasiva, es decir que no habrá gasto de energía. Si, por el contrario, las moléculas se movilizan en contra del gradiente de concentración será necesario el aporte de energía y el pasaje será activo. 

Potencial de acción

El potencial de acción es una despolarización transitoria de la membrana, de manera que el interior de la célula se hace + con respecto al exterior, que es -.

¿Cómo ocurre? Aparte de los canales de Na+ por los que difunde el Na+ siguiendo el gradiente electroquímico, hay otros canales de Na+ voltaje-dependientes, que sólo se abren cuando la célula se despolariza (debido a alguna señal externa: unión de un neurotransmisor a un receptor de membrana, por ejemplo). Cuanto más se despolarice la célula, mayor número de estos canales se abrirán: se produce una retroalimentación positiva, lo que hace que el aumento de Na+ en el interior sea “explosivo”. Al abrirse los canales de Na+ la célula se despolariza un poco (además sigue saliendo K+ que lo contrarresta), pero despolarizaciónes pequeñas producen grandes aumentos de PNa (o sea, se abren más canales) cuando la despolarización sobrepasa un valor umbral, la permeabilidad al Na+ aumenta lo suficiente para permitir que los iones Na+ entren más deprisa de lo que salen los iones K+, la célula se despolariza más, se abren más canales, y el ciclo se repite.

La PNa aumenta múchísimo (unas mil veces) y se hace mayor que PK (PNa > PK). Esto hace que el Vm pase a ser de unos + 50 mV en el pico del potencial de acción (se acerca al ENa = + 55 mV, pero no llega a ese valor debido al flujo de K+ al exterior).

Pronto la PNa disminuye y se restablecen nuevamente los valores de reposo, la célula se repolariza.

Hay dos procesos que repolarizan la membrana:

- apertura de canales de K+ voltaje- dependientes. Se abren con la despolarización, pero con un cierto retraso.

- Inactivación de los canales de Na+.

Existe un tiempo entre dos potenciales de acción en el que la célula es inexcitable: período refractario. Que puede ser absoluto (excitación imposible) o relativo (posible, pero se necesita una mayor despolarización, ya que la célula se encuentra ligeramente hiperpolarizada). 

 Si la despolarización no es suficiente para que la célula alcance el nivel umbral, los iones de Na+ no bastan para contrarrestar la salida de K+, de forma que la despolarización no persiste y el potencial vuelve a su valor de reposo. Estos son los denominados potenciales locales. Estos potenciales son debidos a las propiedades de cable de las células, son pasivos, se disipan y admiten sumación. Por el

contrario, los potenciales de acción son activos, no se disipan y tienen una amplitud constante (la duración es también bastante constante, alrededor de 1 mseg).

En el mantenimiento de las propiedades eléctricas de las células excitables es fundamental el funcionamiento de la bomba de Na-K. Gracias a ella se mantiene el Vm y se produce la repolarización después de cada potencial de acción. La cantidad de Na+ y K+ necesarios para producir un sólo potencial de acción es de 3pmoles/cm2 de membrana, lo que representa el movimiento de 2.000.000.000.000 de iones (2 x 1012). Cada canal puede transportar alrededor de 100.000.000 iones/seg. (1 x 108).

Por lo tanto, para mantener la capacidad de generar potenciales de acción, las baterías iónicas deben de ser recargadas continuamente por la bomba de Na-K.

Cuando, por ejemplo, se presiona contra el borde de una silla, puede que se nos “duerma” la pierna: ello parece que se debe a la disminución de los gradientes iónicos, debido a la falta de riego sanguíneo.

Canales

Los canales iónicos son proteínas transmembrana que permiten el paso selectivo de iones específicos cuando de abren. El paso de iones tiene lugar cuando la estructura molecular lo permite.

Los canales se pueden encontrar:

Ø    Cerrados: no permiten el paso de los iones, pero son susceptibles de ser abiertos en respuesta a un estímulo

Ø    Abiertos (o acivados): permiten el paso de los iones

Ø    Inactivados: cerrados y no susceptible de abrirse en respuesta a un estímulo

CANAL DE POTASIO

Cuando se abre el canal de potasio el potencial de la membrana se hace más negativo (hiperpolarización).

El potasio está más concentrado en el interior de la célula, por ese motivo cuando se abren canales de potasio este ion tiende a salir por gradiente de concentración. Esto extrae cargas eléctricas positivas del interior de la célula, y deja el potencial de ésta más negativo. El potencial de equilibrio del potasio es de aproximadamente –100 mV, y cuando aumenta la permeabilidad a este ión el potencial de la membrana se acerca a este potencial de equilibrio.

CANAL DE SODIO

La apertura del canal de sodio lleva el potencial de membrana a un valor muy positivo (+66 mV). El sodio tiende a entrar en la célula por gradiente de concentración y por atracción electrostática, con lo que introduce en la célula cargas positivas y produce depolarización. Durante el potencial de acción, la apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje hace que el potencial de la membrana se haga positivo (+30 mV), aunque en este caso queda algo más bajo que el potencial de equilibrio del sodio, porque los canales están abiertos durante un tiempo muy corto y no da tiempo a que se equilibren las cargas.

CANAL CATIÓNICO

En muchas células existen canales catiónicos inespecíficos, que permiten el paso de todos los iones positivos (sodio, potasio, calcio) y excluyen a los negativos. Estos canales también producen depolarización. Cuando se abren estos canales se produce al mismo tiempo entrada de sodio y salida de potasio, pero la entrada de sodio es mayor que la salida de potasio, y se produce una entrada neta de cargas positivas en la célula, lo que produce depolarización. Cuando se abren estos canales el potencial de la membrana tiende a 0 mV, que está aproximadamente en el punto medio entre el potencial de equilibrio del sodio y del potasio.

CANAL DE CALCIO

El calcio está más concentrado fuera de la célula que dentro, por ese motivo este ión tiende a entrar en la célula, y los canales de calcio producen depolarización cuando se abren, lo mismo que sucedía con los canales de sodio. La depolarización que producen los canales de calcio es menos acentuada que la producida por los canales de sodio, porque la concentración extracelular de calcio (3 mM) no es tan grande como la concentración extracelular de sodio (145 mM).

Estos canales de calcio, además de producir depolarización, hacen que aumente la concentración intracelular de calcio, lo que constituye una señal para la activacion de muchas funciones celulares.

CANAL DE CLORO

La apertura del canal de cloro cambia muy poco el potencial de la membrana. Esto es debido a que el potencial de equilibrio del cloro está muy cerca del potencial de reposo. El cloro es un ión negativo, y el potencial negativo de la membrana tiende a impedir la entrada en la célula de este ión. Esta fuerza electrostática se equilibra casi exactamente con el gradiente de concentración, que tiende a introducir cloro en la célula. Cuando se abren canales de cloro no se produce entrada ni salida neta de este ión y el potencial de membrana casi no se modifica.

Sin embargo los canales de cloro tienen un importante efecto sobre el mecanismo de la transmisión sináptica. Pruebe en la simulación a activar al mismo tiempo el canal de cloro y el  canal catiónico o el canal de sodio. Observe que en este caso la depolarización que se produce es menor que cuando el canal de cloro está cerrado. Durante la depolarización se produce la entrada en la célula de cargas negativas por el canal de cloro, lo que equilibra la entrada de cargas positivas (sodio) por el otro canal. Es decir, el canal de cloro atenúa el efecto excitador de otros canales.

Por este motivo ciertos neurotransmisores inhibidores como el GABA o la glicina actúan activando canales de cloro en la membrana de las neuronas.

Los transportadoras son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados producto.

 Referencias

http://www.uam.es/personal_pdi/medicina/algvilla//canales/canales.html

http://www.iqb.es/cbasicas/farma/farma01/sec01/c1_002.htm

http://www.culturacientifica.org/textosudc/fisio_xeral_tema_3.pdf

http://www.korion.com.ar/archivos/membranacelular.pdf

TEMA 4. FOTOBIOLOGÍA

Pigmentos Antena y captación de luz En el cloroplasto, los pigmentos están estrechamente asociados a proteínas y se alojan en la bicapa lipídica de los tilacoides. Según el modelo admitido actualmente, estos complejos proteína-clorofila se encuentran empaquetados formando unidades denominadas fotosistemas. Cada unidad contiene de 200 a 400 moléculas de pigmento que tienen por finalidad captar la luz como una antena, forman el llamado complejo antena. Cuando la energía de la luz se absorbe por uno de los pigmentos de la antena, pasa de una molécula a otra de pigmento del fotosistema hasta que alcanza una forma especial de clorofila a que constituye el centro de reacción del fotosistema. Los pigmentos antena son los encargados de absorber la energía lumínica y transferirla por resonancia al centro de reacción. Al recibir esta energía, la clorofila del centro de reacción pierde un electrón, que es transferido a una serie de transportadores de electrones. Los transportadores actúan en cadena, captando el electrón (y por tanto reduciéndose) y seguidamente cediéndolo (y por tanto oxidándolo) a la siguiente molécula. También los carotenoides, que se encuentran íntimamente asociados con las clorofilas de los complejos antena, captan energía en sus longitudes de onda características y la transfieren a las clorofilas (aunque con menos eficiencia); tienen además una función protectora, ya que absorben excesos de energía que podrían dar lugar a la formación de compuestos nocivos. Cadena de transporte de electrones fotosintética

Ocurre en las crestas mitocondriales. En la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donador de electrones de alta energía a un aceptor a través de una cadena de transporte de electrones. En lafotofosforilación, la energía de la luz solar es usada para crear un donador de electrones altamente energético y un aceptor de esos electrones. Los electrones son transferidos desde el donador hasta el aceptor por una cadena de transporte totalmente diferente a la observada en las mitocondrias. La cadena de transporte de electrones fotosintética tiene varias similitudes con la cadena oxidativa. Tienen transportadores móviles, transportadores liposolubles y móviles, transportadores hidrosolubles y bombas de protones, que se encargan de generar el gradiente electroquímico.

Es un mecanismo para pasar electrones de una molécula a otra. Algunos saltos generan sufuciente energía para bombardear H+ del interior de la membrana interna al exterior de la mitocondria.

Genera en un gradiente de H+. Los gradientes tienden a homogeneizarse y sólo pueden volver a través del tubo que hay en una proteína de transmembrana, la ATP sintetasa donde se aprovecha la energía liberada por el gradiente de H+ para fabricar ATP a partir de ADP. Se conoce como teoría quimiosmótica de Michell. Análisis comparativo y evolutivo de respiración y la fotosíntesis La fotosíntesis es la fuente de nutrientes para todas las formas de vida a través de las plantas verdes y las algas, y permanentemente repone el O2 imprescindible para los aeróbicos, que hoy son la mayoría de los seres vivos. A través de la respiración aeróbica, importantes cantidades de energía están accesibles, además se almacena energía en el ATP que subsidia a los organismos de mayor tamaño y al resto de los eucariontes. Richard Dickerson y otros diseñaron una secuencia probable de sucesos evolutivos por los cuales las variaciones en el metabolismo bacteriano llevaron de los heterótrofos anaeróbicos a los autótrofos fotosintéticos anaeróbicos, y de éstos a las bacterias aeróbicas que conservaron o perdieron su capacidad fotosintética en distintos linajes. El argumento se apoya en el conocimiento actual del metabolismo de las bacterias, en el análisis del citocromo c y otros componentes de los sistemas fotosintéticos, de la cadena respiratoria del transporte de electrones.  Los primeros organismos fueron, posiblemente, anaeróbicos heterótrofos que consumían restos de compuestos orgánicos, la energía se obtenía a través de la fermentación. Este tipo de reacciones son las que realizan bacterias anaeróbicas como Clostridium, la glucólisis se mantiene como vestigio ancestral en todos los eucariontes, incluso la especie humana. Lo mismo ocurre con los sistemas de transporte de electrones, como el citocromo c de bacterias y eucariontes.  Los fotosintetizadores anaeróbicos, como las bacterias sulfurosas purpúreas y verdes, no cuentan con una vía espiratoria aeróbica, pero sí poseen una cadena de transporte de electrones a través de la cual los electrones del H2S o de compuestos orgánicos simples pasan al NAD+ en presencia de bacterioclorofila activada por la luz, un pigmento basado en la porfirina. Estos anaerobios carecen del ciclo del C3 de fijación del CO2, pero tienen una ventaja con respecto a las bacterias fermentativas porque aquellas son capaces de sintetizar ATP y reducir el NAD+ en la vía fotosintética más eficiente.  BIBLIOGRAFÍA http://www.genomasur.com/lecturas/Guia15.htm http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/tema_11.htm

TEMA3. BIOENERGÉTICA MITOCONDRIAL.

Hipótesis quimiosmótica y potencial electroquímico de protón

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 intermembranal (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 (1).

Estructura y función de la cadena respiratoria

- Organización de la cadena

A partir de la membrana interna mitocondrial pueden ser aislados cinco complejos enzimáticos denominados I,II, III, IV y V. Los complejos I-IV contienen parte de la cadena de transporte de electrones, mientras que el complejo V cataliza la síntesis de ATP por lo que no es propiamente un componente de la cadena de transporte de electrones. Cada complejo acepta o dona electrones a acarreadores relativamente movibles como la coenzima Q y el citocromo c. Cada acarreador de la cadena de transporte de electrones puede recibir electrones de un donador y subsecuentemente pueden donarlos al siguiente acarreador de la cadena, finalmente se combinan con Oxígeno y protones formando agua. Este requerimiento por Oxígeno hace al proceso de transporte de electrones la cadena respiratoria, la cual utiliza la mayoría del Oxígeno consumido por un organismo aerobio.

*Coenzima q

Esta coenzima es un derivado de quinona con un largo tallo isoprenoide. Es ubicua en los sistemas biológicos por ello se denomina también ubiquinona. La CoQ puede aceptar átomos de Hidrógeno tanto del FMNH₂ producido por la NADH deshidrogenasa y del FADH₂ producido por la succinato deshidrogenasa en el ciclo del ácido cítrico y la acil-CoA deshidrogenasa en el metabolismo lipídico.

Con la excepción de la coenzima Q, todos los miembros de esta cadena son proteínas. Estas proteínas pueden funcionar como enzimas como en el caso de varias deshidrogenasas, pueden contener fierro como parte de su centro fierro-azufre o pueden contener cobre, como en el caso de los citocromos a y a₃.

*Citrocomos

Los demás miembros del la cadena de transporte de electrones son citocromos. Cada uno contiene un grupo hemo hecho de un anillo porfirínico que contiene un átomo de fierro. A diferencia del hemo de la hemoglobina, el átomo de fierro del citocromo es reversiblemente transformado mediante oxido reducciones en su forma férrica (Fe³⁺) y ferrosa (Fe²⁺). Los electrones son pasados a los citocromos b, c y a + a₃ desde la CoQ.

*Citocromo a +a3 

Este citocromo es el ínico acarreador de electrones en el cual el hemo de fierro tiene un ligando libre que puede reaccionar directamente con el Oxígeno molecular. En este sitio los electrones transportados, el Oxígeno molecular y los protones libres se unen para formar agua. El Citocromo a + a₃ (también llamado citocromo oxidasa) contiene átomos de cobre unidos que son requeridos para que la reacción ocurra.

-Transporte de electrones

El flujo de electrones en las reacciones de oxido-reducción es responsable, directa o indirectamente de todo el trabajo realizado en los organismos vivientes. En los organismos no fotosintéticos, las fuentes de electrones son compuestos reducidos (los alimentos); en los organismos fotosintéticos, el donador inicial de electrones es una especie química excitada por la absorción de la luz solar. El flujo de los electrones en el metabolismo es un proceso complejo, los electrones se mueven a partir de varios metabolitos intermedios a acarreadores de electrones especializados en las reacciones catalizadas por enzimas. Posteriormente, los acarreadores donan los electrones a aceptores con elevadas afinidades por los electrones, este último proceso, genera energía. Las células contienen una variedad de transductores de energía, los cuales convierten la energía del flujo de electrones en trabajo.

 El transporte de electrones, es la fuente principal de energía para las actividades celulares, libera grandes cantidades de energía libre, la mayor parte de la cual se almacena en forma de ATP en la fosforilación oxidativa. Las enzimas que catalizan este proceso, son generalmente más complejas tanto estructuralmente como en su mecanismo catalítico que las enzimas de las otras vías metabólicas, y por tanto son menos conocidas. 

Todos los siguientes procesos: el transporte de electrones, la energía libre de la transferencia de electrones del NADH y FADH₂ al O₂ vía centros redox unidos a proteínas, está acoplada a la síntesis de ATP.

Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP

El transporte de electrones y la síntesis de ATP estaban acoplados a través de un gradiente de protones, o hidrogeniones, entre ambas caras de la membrana interna. El bombeo de protones, desarrollado por los diferentes complejos de la cadena de transporte electrónico, genera un aumento de concentración de H+ en la cara citoplasmática, y un gradiente eléctrico debido a la carga positiva movilizada por los protones hacia el exterior de la membrana.

Estos gradientes establecen una fuerza protomotriz (movedora de protones) que empuja a los hidrogeniones hacia el interior, y utilizando esta fuerza, el complejo enzimático ATP-sintasa (también denominada ATPasa mitocondrial o H+-ATPasa) formaría enlaces de alta energía en forma de moléculas de ATP.

-Síntesis de ATP

La ATP sintasa es un complejo enzimático de gran tamaño, observable a microscopía electrónica. Está formada por dos subunidades F0 , una porción hidrofóbica que atraviesa la integridad de la membrana mitocondrial interna, formada por cuatro cadenas polipeptídicas y que funcionalmente constituye el conducto de protones. La otra subunidad F1 protruye en el lado interno de la membrana, y está forma-

da por cinco clases de cadenas polipeptídicas ,α3, β3, γ, δ y ε. Su papel funcional es catalizar la formación de un enlace de alta energía, sintetizando ATP. El cuello intermedio que une ambas subunidades está formado a su vez por varias proteínas reguladoras.

El sistema mediante el cual funciona este complejo, ha permitido observar que el ATP se forma rápidamente, aún en ausencia de gradiente a través de la misma, pero la carencia de fuerza protomotriz no permite la separación del ATP formado, que permanece unido a la sintasa. Sólo el flujo de protones, la estimación es de forma aproximada de tres H+, origina la liberación de un ATP. Cada par de electrones proveniente del NADH, genera un flujo neto de protones a través del complejo I, III y IV de 4, 2 y 4 protones respectivamente, lo que se traducirá en la síntesis de 3 ATPs, la entrada de electrones a través del FADH2 genera un flujo de protones a través del complejo III y IV de 2 y 4 respectivamente, que permitirá la formación de 2 ATPs.

 Regulación de la fosforilación oxidativa

La velocidad con que se desarrolla la fosforilación oxidativa está marcada por las necesidades energéticas de la célula. Para que el proceso se realice de forma correcta se requiere un aporte de sustratos como NADH (o FADH2), O2, ADP y Pi siendo el más importante el ADP. La concentración intracelular de este metabolito es una medida de las necesidades de energía metabólica, y, por lo tanto, va a fijar la velocidad a la que ha de desarrollarse la fosforilación oxidativa.

Esta regulación por ADP se denomina control respiratorio, ya que el consumo de O2 por parte

de la mitocondria, es dependiente de la cantidad de ADP presente.

Según la actividad celular desarrollada, se producirá un consumo mayor o menor de ATP, generándose cantidades variables de ADP. Una concentración elevada de ADP causará un incremento en la velocidad de la respiración celular o fosforilación oxidativa, intentando de manera continua reequilibrar la relación ATP/ADP, o expresado bajo otros términos, la síntesis de ATP se realiza según va siendo requerido por las necesidades celulares.

Todas las rutas catabólicas estudiadas tienen una regulación acoplada a la fosforilación oxidativa, que se realiza a través de la carga energética; de tal manera, que hay un engranaje correcto y equilibrado entre todos los procesos productores de energía con el consumo de la misma (3).

Inhibidores y acoplantes y medición del consumo de oxígeno.

El uso de inhibidores de la cadena ha permitido trazar el paso de los electrones a través de la cadena y determinar el punto de entrada de diversos sustratos. La velocidad a la cual el oxígeno es consumido por una suspensión de mitocondrias es una medida del funcionamiento de la cadena de transporte de electrones. La velocidad puede ser medida mediante un electrodo de oxígeno.

Gran parte del conocimiento de la función mitocondrial ha resultado de estudios con compuestos tóxicos. Inhibidores específicos se han usado para distinguir el sistema de transporte de electrones del sistema de fosforilación oxidativa, y ha ayudado a definir la secuencia de los transportadores redox en la cadena. Si la cadena se bloquea en un punto, todos los transportadores anteriores quedan más reducidos, y los posteriores más oxidados.

Hay seis tipos de venenos que afectan la función mitocondrial:

1. Inhibidores de la cadena que bloquean la cadena respiratoria.

La rotenona, toxina de una planta, utilizada por indios amazónicos como veneno, también ha sido usada como insecticida. Actúa inhibiendo el complejo I. Inhibe la reoxidación del NADH, no afecta la del FADH₂. Inhibe la oxidación del malato, que es dependiente del NAD⁺, no así la del succinato. El succinato entra en el segundo punto de entrada a la cadena, posterior al del NAD⁺.

El amital (barbitúrico) inhibe al complejo I, afecta las oxidaciones dependientes del NAD⁺.

La antimicina A (Antibiótico). Actúa a inhibiendo el complejo III. Inhibe la reoxidación del NADH y del FADH₂.

El cianuro bloquea el paso de electrones del citocromo a₃ al oxígeno.

Estos inhibidores detienen el paso de electrones de modo que no hay bombeo de protones. Sin gradiente de protones, no hay síntesis de ATP.

2. Inhibidores de la fosforilación oxidativa, venenos que inhiben la ATP-sintasa.

La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad F_o e interferir en el transporte de H⁺ a través de F_o, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.

Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por F_o al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de F_o de mamíferos.

En estas condiciones el gradiente de protones que se produce es mayor que lo normal, sin embargo la energía potencial de éste no puede ser utilizada para producir ATP.

3. Venenos que hacen permeable la membrana mitocondrial interna a los protones. Estos agentes eliminan la relación obligada entre la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa que se observa en mitocondria intacto.

Estos venenos, como el 2,4 dinitrofenol (DNP), el carbonilcianuro-p-trifluorometoxi-hidrazona (FCCP) y el carbonilcianuro-m-clorofenilhidrazona (CCCP) desacoplan la fosforilación oxidativa de la cadena respiratoria, se conocen como agentes desacopladores.

Son compuestos liposolubles y ácidos débiles. Las formas disociadas presentan carga negativa altamente deslocalizada, de modo que el campo eléctrico de los aniones es muy débil, ello permite que difundan libremente a través de un medio no polar como las membranas fosfolipídicas. Este comportamiento no es usual, la gran mayoría de iones con carga son excluidos de un ambiente no polar.

Los agentes desacoplantes son todos sintéticos, sin embargo en el mitocondria del tejido adiposo pardo una proteína desacopladora (termogenina) participa en el delicado control de la termogénesis (4).

Genoma mitocondrial

El genoma mitocondrial es una molécula de ADN circular que contiene 16.569 pares de bases y codifica 13 proteínas, 2 ARN ribosomal (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt). El código genético que utiliza es degenerado, es decir, ciertos codones en la mitocondria corresponden a aminoácidos diferentes de los utilizados por el genoma nuclear. Sin embargo, depende de muchas proteínas nucleares para poder replicarse y, a su vez, muchas proteínas presentes en las mitocondrias son codificadas por el genoma nuclear.

En mamíferos, cada mitocondria contiene entre 5 y 10 moléculas idénticas de ADN, cada una de aproximadamente 16.000 nucleótidos. Dado que una célula puede tener cientos de mitocondrias, el genoma mitocondrial representa casi el 1% del genoma total. Este genoma es de suma utilidad en el estudio de ciertas enfermedades hereditarias, debido a que las mitocondrias se heredan solamente por la línea materna (ya que las mitocondrias del espermatozoide no ingresan al óvulo). Todos los hermanos nacidos de una misma madre (sean varones o mujeres) pueden ser identificados como tales analizando ciertos marcadores mitocondriales. De hecho, estos marcadores deberían ser iguales entre los hermanos de la madre –los tíos–, los primos hijos de hermanas mujeres de la madre, y así sucesivamente, siguiendo siempre la línea materna (5).

Las enfermedades mitocondriales son resultado de la falla de las mitocondrias, los compartimentos especializados presentes en cada célula del cuerpo, con excepción de los glóbulos rojos de la sangre. Las mitocondrias son las responsables de la creación de más del 90% de la energía que el cuerpo necesita para mantener la vida y apoyar el crecimiento. Cuando fallan, se genera cada vez menos energía al interior de la célula. Puede entonces presentarse lesión celular o incluso la muerte de la célula. Si este proceso se repite en todo el cuerpo, los sistemas completos comienzan a fallar y la vida de la persona que lo sufre, está en grave riesgo. Esta enfermedad afecta principalmente a los niños, pero los brotes en adultos se están volviendo más y más comunes.

Algunos ejemplos son:

CPEO: Síndrome de Oftalmoplegia Externa Crónica Progresiva.

KSS: Síndrome Kearns-Sayre.

LCHAD: Dehidrogenasa de Cadena Larga Hidoxiacil-CoA.

LHON: Neuropatía Óptica Hereditaria de Leber

MERRF: Enfermedad Epiléptica Mioclónica y Fibrosis roja.

NARP: Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (6).

BIBLIOGRAFIA

(1) http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/concurso1998/accesit6/hipotesi.html

(2) http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/transporte%20de%20electrones.html 

(3) http://ocw.unican.es/ciencias-de-la-salud/fisiologia-general/materiales-de-clase-1/tema-1.-introduccion-al-estudio-de-la-fisiologia/Tema%204C-Bloque%20I-Fosforilacion%20Oxidativa.pdf 

(4) http://www.bioquimicaqui11601.ucv.cl/unidades/cte/traselectfofox4fid.html

(5) http://aportes.educ.ar/biologia/nucleo-teorico/estado-del-arte/el-libro-de-la-vida-el-adn/otro_sistema_genetico_el_genom.php 

(6) http://www.tsbvi.edu/seehear/spring02/mitochondrial-span.htm