5. Fotobiologia

5. FOTOBIOLOGIA

5.1 Fenómeno fotoquímico

La fotoquímica es el estudio de las transformaciones químicas provocadas o catalizadas por la emisión o absorción de luz visible o radiación ultravioleta. Una molécula en su estado fundamental (no excitada) puede absorber un quantum de energía lumínica, esto produce una transición electrónica y la molécula pasa a un estado de mayor energía o estado excitado. Una molécula excitada es más reactiva que una molécula en su estado fundamental. La fotoquimic también incluye procesos en los cuales se produce una emisión de luz como resultado de una reacción química.
Cada molécula absorbe radiación a determinada longitud de onda. La activación de la fotoquímica es muy selectiva, asiendo que se seleccionen las condicione de trabajo para excitar solo un tipo de moléculas.
La energía de los fotones varía enormemente a lo largo de la misma. Así la absorción por parte de una molécula corresponde a un intervalo de rayos X y rayos γ de elevadísima energía. Los estados eléctricos de excitación tienen una geometría, densidad, y una reactividad distinta a la del estado fundamental, por consiguiente el mayor interés fotoquimico esta en los siguientes orbitales moleculares, sigma enlazante, σ, sigma no enlazante, σ*, pi enlanzate, π, pi antienlazante π* y no enlazantes n. Las orbitas sigmas σ son muy enlazane y están muy localizadas, la energía para excitar a un electrón de un orbital a una de energía superior es bastante mayor que la que se necesita para el caso de electrones en los orbitales π o n. Por esa razón son más comunes los fenómenos fotofisicos (sin reacción en la molécula). Sin embargo la energía absorbida por los electrones en σ suele dar la disociación de la molécula, por ejemplo
Para descomponer el amoníaco NH3 en nitrógeno e hidrógeno, por los rayos ultravioletas, son precisos cuatro fotones por molécula ( = 0,25.).
Según la longitud de onda, se puede modificar el equilibrio fotoquímica a un sentido u otro. Así, en la reacción reversible
ácido maléico ácido fumárico
Donde con el ultravioleta = 313 mm existe 44 % de ácido maleico y 56 % de ácido fumárico, mientras que con una onda más corta = 200 mm, el ácido maleico se regenera, con un 75 % de ácido maleico y 25 % de ácido fumárico. En el primer caso, el rendimiento cuántico es de 0,03 mientras que se eleva a 0,1, por la reacción inversa.
Debe tenerse muy presente que la una molécula en una estado excitado tienen propiedades muy diferentes a las del estado fundamental.

Leyes fundamentales.
Ley de absorción de Grotthus-Draper: Una radiación no puede provocar acción química más que si es absorbida por una sustancia (o un sistema de sustancias); si no, no puede haber transmisión de energía luminosa. El concepto de Grotthus-Draper introdice la idea de que es la radiación la que suministra la energía necesaria para la activación de la molécula. StarK(1908) y Einstein (1912) aplicaron la ideas cuánticas a los procesos fotoquimicos y enunciaron el principio que expresarse como “ cada quantum de radiación activa a un sola molecual”. La cantidad de energía o radiación absorbida por un sistema vienen dada por la Ley de Lambert-Beer- Bouguer, la cual indica que, si sobre un sistema incide radiación monocromático de potencial radiante (energía por unidad de tiempo) Po, al potencial radiante transmitida Pt, vienen dada por la ecuación.
Pt=Po10-εlc
Siendo ε el coeficiente de absorción molar o (función de la longitud de onda de la radiación incidente), l es el espesor de la sustancia atravesada por la radiación y c la concentración molar de las especies absorbentes. Si se toma el logaritmo
A= log(Po/Pt) = εcl
Donde A esta definida como log(Po/Pt) se denomina absorbancia y como se v es proporcional a la concentración en las concentraciones dadas; ello es la base de la espectrofotometría como técnica de análisis cuantitativo.
Se define como transmitancia a T como;
T = Pt/Po o en porcentaje %T = Pt•100/Po
Como se desprende de las definiciones de ambas, la absorbancia y la transmitancia están relacionadas con la ecuación:
A = -logT
La energía correspondiente a un mol de fotones recibe el nombre de l Einstein, muy empleada a fotoquímica. Su valor depende de la longitud de onda según λ.
E = NA hc / λ
Así la energía corresponde a l einsten de la luz de 500nm es
E = 239 kj/mol


Secuencia fotoquimica
Una molécula activa no experimente necesariamente una reacción. Existe un buen numer de procesos que compiten entre si. A través de los cuales pueden desactivarse y cuyo estudio es fundamental para entender la los fenómenos de la fotoquímica.
Se entiende por secuencias fotoquímica el conjunto de posibles cambios que sigue o puede seguir una molécula excitada después de la absorción de radiación.
1.-Proceso primario
1. Excitación . La absorción de un fotón, trae como consecuencia que la molécula pase de un estado fundamental a un estado eléctrico excitado.
2. Desactivación la molécula excitada puede perder su exceso de energía, por distintos mecanismos que le hagan volver al estado fundamental (proceso fotofisico) o bien una reacción química (proceso fotoquimico)
2.- Proceso secundario
1. Las especies químicas originadas por los procesos anteriores pueden reaccionar con otras presentes en la muestra esto es:
Cuando las radiaciones absorbidas provocan primero una activación de la molécula, que reacciona a continuación sobre una segunda molécula neutra para dar productos de descomposición, según el esquema siguiente:

AB + hv = (AB)
(AB) + AB = 2A + 2B El rendimiento cuántico es casi igual a 2.

Ciertas materias colorantes.
Las carbazonas, tales como la fenilsemicarbazona del aldehído cinámico, sometidas varias horas a la luz difusa, dan origen a una modificación latente, invisible, la cual, situada a la sombra, se transforma en modificación visible amarilla, por una segunda exposición a la luz. Es el fenómeno de fototropía inversa.
La fotrotopía es atribuida a un desplazamiento reversible de los electrones, correspondientes a varias formas mesómeras de una misma sustancia.

5.2 Pigmentos antena y captación de luz

Los Pigmentos Antena se encargan de captar la energía de la luz solar y canalizarla hasta el centro de reacción del fotosistema. Esta canalización consiste en la excitación de un electrón de un pigmento que al volver a su “posición inicial” desprende una energía que servirá para excitar el electrón de un pigmento adyacente y así sucesivamente hasta llegar al centro de reacción. Los pigmentos del centro de reacción tienen un espectro de absorción muy característico: los que absorben longitud 700nm también llamados de onda P700 el cuan se encuentra en el fotosistema I el y otro pigmento que absorbe a los 680nm también llamado P680 se encuentra en el fotosisitema II. En el centro de reacción se excitará un electrón procedente de los pigmentos antena, que será captado por una serie de proteínas intermediarias hasta reducir una molécula de NADPH + (H+). Ésta cederá sus electrones y protones a la cadena transportadora de la membrana tilacoidal del cloroplasto y terminará formando ATP. De esta forma las plantas transforman la energía solar en energía metabólica para formar moléculas orgánicas.
Los pigmentos antena absorben la energía de los fotones a través de sus sistemas de enlaces dobles conjugados. Las estructuras de las moléculas de una clorofila y un carotenoide mostradas, Estructuras A y B. Observe los sistemas lineales de enlaces dobles conjugados de los carotenoides (luteina, en este ejemplo) y la estructura de zig-zag de los enlaces dobles en la molécula de clorofila. Estos sistemas de enlaces dobles conjugados son los que confieren a dichas moléculas la capacidad de absorber la energía de los fotones.


La mayoría de las plantas terrestres presentan dos formas de clorofilas denominadas Chl a y Chl b (Chl, de la palabra en inglés "chlorophyll"). La diferencia entre ambas clorofilas es que Chl a presenta un grupo metilo (-CH3) en el perímetro del anillo tetrapirrólico, mientras que en Chl b este grupo ha sido oxidado para formar un grupo formol (-CH=O), también conocido como grupo formilo. Tal diferencia permite que las clorofilas a y b absorban luz de longitudes de onda ligeramente diferentes dentro del espectro visible.

5.3 Cadena de transporte de electrones fotosintético

Las plantas evolucionaron para utilizar los electrones del agua y transferirlos a acarreadores de electrones, como el NADPH, para realizar reacciones bioquímicas. El problema es que requieren de dos diferentes fotosistemas que funcionan en serie para elevar el nivel de energía de los electrones mediante la captura de dos fotones consecutivos. Cada fotosistema está formado por un conjunto de pigmentos antena y un centro de reacción, que tiene la capacidad de realizar las reacciones fotoquímicas necesarias. Los centros de reacción en estos fotosistemas son pigmentos específicos que han sido denominados P-680 y P-700. Un fotón es capturado primeramente por los pigmentos del fotosistema II; la energía de excitación es entonces transferida a un electrón del centro de reacción P-680. Enseguida, el electrón de alta energía del P-680 excitado (P-680*) es transferido a una molécula de plastoquinona (PQ), usando la proteína D1 como molécula intermediaria, este electrón será eventualmente transferido al fotosistema I. Otro fotón es capturado en el fotosistema I y su energía es transferida al pigmento P-700 del centro de reacción. Pasando a través de la proteína llamada ferredoxina (Fd), el electrón excitado en P-700 (PEn la membrana tilacoidal como resultado de la fotólisis del agua y de la oxidación de la plastoquinona ( PQH2 ) se generan protones ( H+ ); que originan un fuerte gradiente de concentración de protones( H+ ) al ser transportados del lumen al estroma. Este gradiente de pH es responsable de la síntesis de ATP, catalizada por la ATP sintetasa o conocida tambien como factor de acoplamiento; ya que acopla la síntesis de ATP al transporte de electrones y protones a través de la membrana tilacoidal. La ATPsintasa existe en los tilacoides del estroma y consta de dos partes principales: un tallo denominado CFo, que se extiende desde el lumen de la membrana tilacoidal hasta el estroma y una porción esférica (cabeza) que se conoce como CF1 y que descansa en el estroma. Esta ATPasa es similar a la de las mitocondrias donde sintetiza ATP.


Fosforilación cíclica .Cuando la antena del fotosistema I transfiere la energía luminosa a la clorofila P700 del centro de reacción, la P700 absorbe energía y se excita; su potencial de reducción pasa a ser muy negativo. Luego sede su electrón a un aceptor específico, probablemente a una molécula especial de clorofila a o una proteína ferrosulfurosa. El electrón es transferido finalmente a la ferredoxina, desde donde puede moverse en dos direcciones. En la vía cíclica, el electrón se mueve en una ruta cíclica a través de una serie de transportadores de electrones y vuelve a la P700 oxidada. La vía se denomina cíclica porque el electrón procedente del a P700 vuelve a esta después de recorrer la cadena transportadora de electrones fotosintética. En el proceso solo participa el fotosistema I.
Los electrones también pueden recurrir la vía no cíclica en la que intervienen los dos fotosistemas. La P700 es excitada y cede electrones a la ferredoxina. Sin embargo, en la rutan no cíclica la ferredoxina reducida reduce el NADP+ a NADPH. Debido a que los electrones cedidos al NADP+ no pueden ser utilizados para reducir la P700 oxidada, se requiere la participación del fotosistema II. Este cede electrones a la P700 oxidada y genera ATP en el proceso. Parece que se forman un ATP y un NADPH cuando dos electrones recorren la vía no cíclica.

5.4 Análisis comparativo y evolutivo de la respiración y la fotosíntesis

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 la fotofosforilación, 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.

REFERENCIAS
http://books.google.com.mx/books?id=LQ3yebCDwWEC&pg=PA939&dq=fenomeno+fotoquimico&hl=es&ei=RdMpTOyeJ8PknAeaqIB_&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=8&ved=0CEkQ6AEwBw#v=onepage&q&f=false5.2 Pigmentos antena y captación de luz
http://web.usal.es/~jmcsil/biblioteca/fisicoquimica/capitulo25/capitulo25.pdf
http://books.google.com.mx/books?id=LQ3yebCDwWEC&pg=PA939&dq=fenomeno+fotoquimico&hl=es&ei=RdMpTOyeJ8PknAeaqIB_&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=8&ved=0CEkQ6AEwBw#v=onepage&q&f=false
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http://books.google.com.mx/books?id=EFUP472dyEMC&pg=PA232&lpg=PA232&dq=pigmentos+antena&source=bl&ots=OAPfTAFQjX&sig=TqB2cyAXL4vF3excvAX9FL2Eh-k&hl=es&ei=NHYyTIvgBMX6lwfCgcXACw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CDIQ6AEwBg#v=onepage&q=pigmentos%20antena&f=false
http://www.alaquairum.net/fotosintesis.htm
http://croptechnology.unl.edu/printLesson.cgi?lessonID=1011797732

4. Bioenergia y mitocondrias

4. Bioenergética y mitocondrias

4.1 Hipótesis quimiosmotica y potencial electroquímico de protones

La teoría quimismotica propone que un gradiente de concentración de protones a través de la membrana, generado por la cadena de transporte de electrones es el depósito de energía para que dirige la síntesis de ATP. El movimiento de protones de la matriz al citosol contra un gradiente de concentración se genera energía química y eléctrica. La energía potencial total esta relacionad con las diferencias de pH delta ΔpH entre los compartimentos.

ΔG químico = 2.303 n RT (pH dentro – pH fuera)

La energía libre de la parte eléctrica es proporcional al potencial de membrana ΔΨ, al cual es el termino que se usa para la diferencia de potencial que se presenta a través de la membrana y que se representa por:

ΔG elec = nF ΔΨ

Por consiguiente, el signo ΔΨ es positivo cuando el ion se transporta de lado negativo a lado positivo. El camabio total de energía libre es la suma de estas expresiones .

ΔG = nF ΔΨ + 2.303 nRT ΔpH

Dividiendo la ecuación anterior entre nF nos da una expresión en unidades de voltios.

ΔG/nF = ΔΨ + (2.303 nRT ΔpH)/F ecuación 1


Y podemos redefinir las constantes del lado derecho de la ecuación dándonos:

Z = (2.303 RT)/F

A 25° C, Z = 0.059V si definimos los términos de lado izquierdo de la ecuación 1 llegamos a la expresión

Δp = ΔΨ + ZΔpH

Δp es la fuerza motriz protónica medida en voltios esta expresión representa los componentes eléctricos y químicos de la fuerza motriz protónica la cual suministra la fotofosfotilacion oxcidativa.
Cuando los protones vuelven a entrar en la mitocondria acoplados con la síntesis de ATP se consume parte del potencial de gradientes de concentración de protones.

Un requerimiento de la teoría quimiosmotica es que la membrana deba ser impermeable a los iones H +. de otro modo se dispersaría el gradiente de concentración de protones H+ hacia la matriz. La membrana interna de las mitocondrias es muy impermeable a los protones. El gradiente de concentración de protones se denomina con frecuencia gradiente de pH.
Este problema se le ocurrió a Peter Michael en 1967 quien hizo una anotación diciendo:

El acoplamiento quimiosmotico esta asociado más con el desarrollo de un potencial eléctrico a través de la membrana que con el desarrollo de una diferencia de concentraciones de un ion a través de la membrana, la característica importante es, en esencia, electroquímico en vez de quimiosmotica.

4.2 Estructura y función de la cadena respiratoria

La cadena de transporte de electrones es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasmática de bacterias y en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, median reacciones bioquímicas que producen adenosina trifosfato (ATP), que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos. Sólo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de óxido-reducción (redox) y la luz solar (fotosíntesis). Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimioautótrofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fotoautótrofos. Ambos tipos de organismos usan una cadenas de transporte de electrones para sintetizar ATP.
La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones.
De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes:

• Un flujo de electrones desde sustancias individuales.
• Un uso de la energía desprendida de ese flujo de electrones que se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente.
• Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable.
Las reacciones redox son reacciones químicas en las cuales los electrones son transferidos desde una molécula donadora hacia una molécula aceptora. La fuerza que conduce a esta clase de reacciones es la energía libre de Gibbs de los reactivos y los productos. La energía libre de Gibbs es la energía disponible para realizar un trabajo. Ninguna reacción que baje la energía libre de Gibbs total de un sistema se realizará de forma espontánea. La transferencia de electrones desde moléculas altamente energéticas (donadoras) hacia moléculas de bajo poder energético (aceptoras) puede ser espaciado en una serie de reacciones redox intermediarias, que en definitiva forman una cadena de transporte.

Las fuentes de energía como la glucosa son los metabolizados en el citoplasma y los productos obtenidos son llevados al interior de la mitocondria donde se continua el catabolismo usando rutas metabólicas que incluyen el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la beta oxidación de los ácidos grasos y la oxidación de los aminoácidos. El resultado final de estas rutas es la producción de dos donadores de electrones: NADH y FADH2. Los electrones de estos dos donadores son pasados a través de la cadena de electrones hasta el oxígeno, el cual se reduce para formar agua. Esto es un proceso de múltiples pasos que ocurren en la membrana mitocondrial interna. Las enzimas de estas reacciones tienen la capacidad de crear un gradiente de protones a través de la membrana y un estado altamente energético con el potencial de generar trabajo. Mientras el transporte de electrones ocurre con una alta eficiencia, un pequeño porcentaje de electrones son prematuramente extraídos del oxígeno, resultando en la formación de un radical libre tóxico: el peróxido. El parecido entre las mitocondrias y las bacterias de vida libre es altísimo. Es decir, hay fuertes pruebas que indican que las células escaróticas primitivas incorporaron bacterias, que luego se transformo en un orgánulo.

Se han identificado cuatro complejos enzimáticos unidos a membrana interna mitocondrial. Tres de ellos son complejos transmembrana, que están embebidos en la membrana interna, mientras que el otro esta asociado a membrana. Los tres complejos transmembrana tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. El flujo de electrones global se esquematiza de la siguiente forma:

Complejo I
El "complejo I" o NADH deshidrogenasa o NADH:ubiquinona oxidoreductasa capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo el Complejo I transloca cuatro protones a través de membrana, produciendo un gradiente de protones.

El flujo de electrones ocurre de la siguiente forma:

El NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN a FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es un centro Fe-S que sólo puede aceptar un electrón y trasferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a ser reducido con el otro electrón que quedaba generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones son translocados a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana.

Complejo II
El "Complejo II" o Succinato deshidrogenasa; no es un bomba de protones. Además es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Este complejo dona electrones a la ubiquinona desde el succinato y los transfiere vía FAD a la ubiquinona.

Complejo III
El "complejo III" o Complejo citocromo bc1; obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca dos protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.

Complejo IV
El complejo IV o Citocromo c oxidasa; capta cuatro electrones de las cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además "desaparecen" de la matriz 4 protones que forman parte del H2O.

Estructura de la cadena de transporte de electrones.

La estructura está formada por 3 partes: macromolécula, citocrom C y un coenzima (Q Ubiquinona). Son un conjunto de reacciones red-ox.

La NADH-Q reductasa es enorme y tiene 106 D. Tiene 2 tipos de grupos prostéticos que son los responsables de regular NADH (FMN y complejos ferro-sulfurados (Hierro no hémico)). Manejan los electrones que se reciben.
El NADH se oxida a NAD+ (transferencia de 2 electrones). Implica que el FMN se reduzca a FMNH2.
La FMN más 1 e- forman la semiquinona, que si se le suma un segundo e-, se transfiere al segundo enlace y da FMNH2. Estos dos electrones son transferidos a un complejo Fe-S, que pasa de una forma oxidada (FE+3) a una forma reducida (FE+2). El Fe+3 se regenera transfiriéndoselo al co-enzima Q, que cuando recibe 2 e-, se transforma en la QH2.

La ubiquinona es una molécula con un potencial red-ox muy alto. Tienen una estructura que se repite de isopreno. El isopreno es muy importante en biología porque forma diferentes sustancias. La cola confiere a la molécula hidrofílica un elemento completamente hidrofóbico que permite que la ubiquinona se inserte en la membrana mitocondrial interna.
La ubiquinona. capta 1 electrón transformándose en una semiquinona. Con el segundo electrón, se transforma en ubiquinona reducida (ubiquinol).
La ubiquinona es el punto de entrada para los electrones del FADH2 (tiene un potencial red-ox menos negativo que NADH).

La ubiquinona se regenera cediendo los electrones la citocromo reductasa (que es un multímero de 10 subunidades de 25.000 D de masa molecular). Tiene varios grupos prostéticos. Los citocromos tienen un grupo hemo y un Fe asociado. Y son 2 citocromos llamados “B” (definido por el tipo de sustituyente del anillo tetrapirrólico); un citocromo “C” y un centro Fe-S.
El electrón se transfiere al complejo Fe-S. y los electrónes se transfiere de 1 en 1. El potencial red-ox de la semiquinona es insuficiente para transferir el segundo electrón a través de los 2 citocromos B de la reductasa y se cataliza una reacción: una segunda molécula de semiquinona interacciona para formar una quinona totalmente reducida (vuelve a transferir el electrón) y otra totalmente oxidada (forma regenerada de ubiquinona). Es una reacción de dismutación.
El entorno de la proteína define las características eléctricas del Fe. El Fe+2, a través de la citocromo oxidasa va a transferir un electron al O2.
La citocromo oxidasa contiene grupos hemo (Fe2+/3+) y contiene grupos Cu+1/+2+. El DNA mitocondrial es suficiente para codificar citocromo C oxidasa. La reacción de reducción del O2 se debe dar completamente porque si son incompletas, da lugar a un anión superóxido.

O2 + e- --> O2- anión superóxido (químicamente muy reactivo).

4.3 Fosforilización oxidativa y síntesis de ATP

La fosforilación oxidativa es el proceso por el cual el gradiente de H+ al transferir electrones en la cadena de transporte de electrones, se aprovecha para producir ATP.
Son 2 procesos independientes que se hacen juntos. El espacio intermembranal es más ácido de PH (con 10 e- más) que el interior.
En ausencia de la cadena de transporte de electrones, la ATP, con un gradiente de electrones diferente, la ATP sintetiza ATP. El modelo de Michel exige que el compartimento sea estanco para que los H+ que se bombean fuera, deban volver a pasar por la ATP.
El bombeo de H+ alimenta la síntesis de ATP porque son reacciones acopladas.
El bombeo de H+ ocurre por la variación de potencial redox en la cadena de transporte de electrones es suficientemente grande para transformar energía que puede dar ATP. No se puede fabricar ATP si el salto energético inicial no es suficientemente grande. En la cadena de transporte de electrones se producen saltos de electrones con suficiente nivel energético. Hay relación entre la cantidad de Fosfato que se consume y el consumo de cierto O2.
La producción de ATP es diferente según si se intoxica la cadena con un producto o otro. Si se bloquea al final de la cadena, se produce más ATP porque hay más saltos electrónicos. Si se bloquea arriba del todo, no se produce nada de ATP porque no hay saltos electrónicos. Los H+ que se forman en la cadena de transporte de electrones no son suficientes porque cada salto necesita 10-12 H+. El resto de H+ son de algunas proteínas involucradas (residuos de imidazol). P.ejemplo: algún componente de la reductasa, citocromo y citocromo oxidasa.
La ATPasa mitocondrial está dividida en 2 funciones (F1 (actividad catalítica) y F0 (enganchada a la membrana). Cuando está fuera de la mitocondria, hidroliza ATP.
La F1 está compuesta por diversas proteínas (3a, 3b, 1s, 1d, 1e). Las b son las responsables de síntesis o hidrólisis de ATP.
La F0 está insertada en la bicapa lipídica. Tiene 4 tipos diferentes de subunidades. Hay unidades de 8 KD (en grupos de 6), que atraviesan físicamente la membrana en forma de tubo. Por ese agujero se mueven los H+ del espacio intermembrana a la mitocondria.

Además, existen proteínas de tipo regulador.

La ATPasa funciona:

1. Las 3 unidades b (que son proteínas idénticamente iguales químicamente, no funcionan igual porque están interaccionadas con diferentes unidades). La forma T está unida a ATP. Cuando hay ADP + Pi, la zona C tiene afinidad por ADP+Pi. El flujo de protones cambia la conformación de las 3 unidades b. La forma L se transforma en T y la T en forma de O. La forma O se transforma en L. El ATP deja de estar unida a b, que tiene afinidad a otra que no le tiene afinidad y lo libera.

2. El ADP+Pi se coloca en una zona que cataliza la síntesis de ATP. Esta estructura es la misma que al principio. El flujo de protones se emplea en expulsar el ATP que había y cataliza una nueva molécula de ATP. Para que pase todo esto, se necesita que haya NADH o FADH2.




Todo pasa en la membrana interna mitocondrial.
La lanzadera transforma NADH en NAD+ en el citosol y FAD+ en FADH2. Los electrones del FADH2 no son tan buenos como los del NADH. La concentración de NADH mitocondrial es mayor dentro de la mitocondria que fuera.
La glicerolfosfatodeshidrogenasa es diferente en los 2 procesos.
El enzima interior de la mitocondria no fabricaría NADH, sino que lo hidrolizaría porque hay más dentro que fuera. Por eso, los enzimas son diferentes para que se pueda asegurar que parte del potencial red-ox de los electrones del NADH citosólico son introducidos en la mitocondria. Existe una lanzadera malatoaspartato para meter:

Cuando se importa un ADP, se exporta un ATP. Es una proteína que mediante gasto energético, cambia su conformación.

La direccionalidad del proceso es:

-Porque ADP y ATP son parecidas pero difieren en la carga eléctrica.

-Las 2 caras de la membrana mitocondrial no son iguales la cara de la matriz es más negativa (2V) que la citosólica. Cuando la translocasa lleva ATP, más negativo que ADP, vuelca el ATP a la zona más positiva. Prácticamente una cuarta parte de la fosforilación oxidativa se consume en este mecanismo.

Es un proceso imprescindible para la mitocondria. Si se asume que desde el punto de vista neto:

1. NADH rinde netamente 2´5 ATP (NADH entrado gracias a la lanzadera glicerolfosfato.

2. FADH2 rinde netamente 1´5 ATP.

Cada ATP da aproximadamente 7´3 Kcal/mol.

DG0´= 7´3 Kcal/mol x 30 ATP = 219 Kcal/mol.

La oxidación aeróbica de glucosa rinde 219 Kcal/mol. Si se produce la combustión química se produce:

Glucosa + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O

DG0´= -686 Kcal /mol

La célula funciona con una eficiencia del 33%. La célula tiene mecanismos para evitar meter FADH2 y NADH en la cadena de transporte. Sólo se mete. Se basa en la disponibilidad de ATP.

La translocasa sólo mete ADP cuando hay ADP en el exterior. Cuando el ADP no se utiliza para formar ATP, se usa para producir calor, desacoplando la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

La termogenina es una proteína abundante (10-15% de la proteína total de la membrana interna mitocondrial) que se encuentra en el tejido adiposo marrón (porque tiene muchas mitocondrias).Actúa como coladero de H+. Pasa a través de la membrana mitocondrial. No pasa por la cadena de transporte de electrones. Esa energía se transforma en calor.

4.4 Inhibidores y dasacoplantas

En la membrana interna mitocondrial de los tejidos adiposos marrones existe una gran cantidad de termogenina, que es una proteína desacopladora, que actúa como una vía alternativa para el regreso de los protones a la matriz. Esto resulta en consumo de la energía en termogénesis en vez de utilizarse para la producción de ATP. Esto puede ser útil para generar calor cuando sea necesario, por ejemplo en invierno o durante la hibernación de ciertos animales.

También se conocen desacoplantes sintéticos como el caso del 2,4-dinitrofenol, que se ha usado como pesticida, debido a su alta toxicidad.

La rotenona, toxina de una planta, utilizada por indios amazónicos como veneno, también ha sido usada como insecticida.
Actúa a inhibiendo el complejo I. Inhibe la reoxidación del NADH, no afecta la del FADH2. Inhibe la oxidación del malato, que es dependiente del NAD+, pero no 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

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

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

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


4.6 Medición del consumo de oxigeno

Con un electrodo para oxigeno. El electrodo comprende un cátodo de platino unido a una resina y un cátodo de plata unido a un puente electrolítico y conectado al modulo control. La cámara del electrodo es preparado por aplicación de un espaciados de papel muy fino y una muy fina membrana de Poli-tetra-fluor-etileno (PTFE) que se fija a la plancha base donde se encuentran los electrodos por un anillo-O. en la presencia de oxigeno una pequeña corriente fluye a través de los electrodos que es proporcional a la concentración de oxigeno en la muestra. Esta señal es digitalizada por la unidad de control.
Estos electrodos pueden ser acondicionados para medidas en fase liquida o en fase gaseosa; aquí vamos a medir en fase liquida. Todas las unidades del electrodo deben de mantenerse a temperatura constante. Este efecto se consigue por circulación de agua a la temperatura deseada al rededor de la cámara y controlando los componentes de la muestra. Esto es importante ya que el electrodo es sensible a la temperatura y el contenido de oxigeno cambia con la temperatura.

Calibración del electrodo
A nivel máximo de Oxigeno: añadir agua destilada y mantenerla en constante agitación para que ajuste l00% de del registro(253nmoles/ml)
Nivel minimo de oxigeno: añadir Ditionito (Na2S2O4 una punta de espátula) para reducir el O2. Enroscar el embolo hasta enrasarlo con el liquido dentro de las células, cuidando quede sin burbujas y mantener la agitación (ajustar el 0% del registro)


4.5 Como es el genoma mitocondrial

El genoma mitocondrial, es el material genético ADN de las mitocondrias, los orgánulos que generan energía para la célula. El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariota se divide. Este ADN, es una molécula bicatenaria, circular, cerrada, sin extremos. En los seres humanos tiene un tamaño de 16.569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes, distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de la molécula de ADN. En él están codificados dos ARN ribosómicos, ARN de transferencia y 13 proteínas que participan en la fosforilación oxidativa. Estos genes mitocondriales son:
• genes de ARNts
• genes de ARNrs
• genes de ARNms, codificando para diversas proteínas y los ribosomas

El número de genes en el ADN mitocondrial es de 37. Otra característica importante del ADN mitocondrial es que no se recombina. Ello implica que los únicos cambios que haya podido haber en el ADN mitocondrial se deben exclusivamente a mutaciones a lo largo de multitud de generaciones.
Los genomas mitocondriales presentan varias características de los genomas procariotas como:
• Pequeño tamaño.
• Ausencia de intrones.
• Porcentaje muy elevado de DNA codificante.
• Falta generalizada de secuencias repetidas y genes de rRNA comparativamente pequeños , parecidos a los de procariotas.
La evolución del código genético mitocondrial es probablemente el resultado de una presión de selección reducida en respuesta a una capacidad codificante muy disminuida.
Debido a que la herencia del genoma mitocondrial es exclusivamente a través de vía materna y que hay un fragmento en este genoma de 400pb (pares de bases) que son altamente polimorfico, podemos considerar que este ADN permanece inalterable por esta vía durante muchísimos años. Este ADN se puede obtener de muestras de cualquier tejido. El análisis de éste se usa para estudiar las relaciones filogenéticas; y no sólo en humanos sino, también en muchos otros organismos; por lo que se podría utilizar para determinar variabilidad en poblaciones naturales (para ver si hay o no endogamia), utilizándose también en conservación de especies en peligro de extinción.
Otros componentes de las mitocondrias están codificados por genes nucleares y luego son introducidos a las mitocondrias.. Estos componentes incluyen a la ADN-polimerasa y otras proteínas necesarias para la replicación del ADNmt; también la ARN-polimerasa y otras proteínas de la transcripción, o proteínas ribosomales para la formación de los ribosomas mitocondriales.
La transcripción en el ADNmt de los mamíferos es bastante particular: tiene un solo lugar de inicio y se transcribe en forma continua formando un solo tanscripto largo. Este transcripto es procesado luego para producir distintas moléculas de ARNt y de ARNr, además de moléculas maduras de ARNm para la producción de cadenas polipeptídicas. Para eso es interesante observar que los genes que codifican ARNr o ARNm están separados por genes que codifican ARNt. En el largo transcripto original, las moléculas de ARNt son identificadas por enzimas que cortan el transcripto y separan los ARNt, dejando libres a los ARNm y ARNr. Estos transcriptos así procesados luego son modificados para producir ARNr maduros. El proceso de modificación incluye también el agregado de la cola de poliadenina al extremo 3' de los ARNm y la secuencia CCA en el extremo 3' de los ARNt. Los ARNm de las mitocondrias no tienen la cápsula característica del extremo 5' que se agrega en los ARNm del genoma nuclear de los eucariotas. Los genes mitocondriales que codifican proteínas se pueden encontrar en cualquiera de las dos hebras del ADNmt. Los ARN mensajeros (ARNm) que se sintetizan a partir de genes en el ADNmt permanecen dentro de la mitocondria y son traducidos por ribosomas propios de la mitocondria. Los ribosomas mitocondriales consisten de dos subunidades como sucede con los ribosomas del citoplasma.
El genoma mitocondrial contienen un total de 37 genes de los cuales 13 de ellos codifican para RNAm y por lo tanto para 13 proteínas, 22 genes que codifican para 22 RNAt (que se representan como hojas de trébol) y 2 que codifican para los dos RNAr mitocondriales.

Enfermedades ocasionadas debido a mutaciones mitocondriales.
Las mutaciones de algunos de los genes mitocondriales ocasionan algunas enfermedades en el hombre. Se conocen las siguientes mutaciones.

MELAS (miopía mitocondrial con encefalopatía acidosis láctica y episodios al ictus). Se deba a una disfunción del complejo I de la cadena de respiración mitocondrial debido a un cambio de bases en el par 2343 de la cadena respiratoria.

MERRF: (epilepsia mitocondrial, fibras rojas deshilachadas) se debe a una mutación que codifica para el RNAt de la lisina por un cambio de bases en la posición 8344 de la cadena pesada. Este cambio produce un disfunción en el complejo V de la cadena respiratoria.

NARP: (neuropatía, ataxia, retinitis pigmentaria) se debe a una mutación de ls genens que codifica para en complejo V de la cadena derespiracion.

LHON: (neuropatía hereditaria de Leber) se debe ha múltiples mutaciones en los genes que codifican para complejo I (NADH-deshidrogenas)

Adicionalmente se han encontrado estas y otras mutaciones de los genes mitocondriales en muchos otros desordenes por ejemplo algunos tipos de sorderas, síndrome de Ham etc.



REFERENCIAS
http://www.bioquimicaqui11601.ucv.cl/unidades/cte/traselectfofox4fid.html
wikipedia.org/.../Cadena_de_transporte_de_electrones -
http://canal-h.net/webs/sgonzalez002/Bioquimic/CTRANSE.htm
www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica.../guion-res-mitocondrial.pdf
http://www.biologia.edu.ar/genetica/extranuclear.htm
http://www.iqb.es/monografia/fichas/ficha027.htm

Reacciones redox

Reacciones de oxido-reducción

Los electrones poseen diferentes cantidades de energía potencial dependiendo de su distancia al núcleo del átomo y de la atracción ejercida por el núcleo sobre ellos. Un ingreso de energía lanzará a un electrón a un nivel energético más alto, pero si no se añade energía, el electrón permanecerá en el nivel energético más bajo que encuentre disponible.

Las reacciones químicas son, transformaciones de energía en virtud de las cuales la energía almacenada en los enlaces químicos se transfiere a otros enlaces químicos. En estas transferencias, los electrones se desplazan de un nivel de energía a otro y en las reacciones, los electrones pasan de un átomo o molécula a otro, y en los sistemas vivos, se conocen muchas reacciones de este tipo llamadad reacciones de oxido-reducción -o redox-.

3.1 Oxidación y reducción

La pérdida de un electrón se denomina oxidación y el átomo o molécula que pierde el electrón se dice que se ha oxidado. La razón de que la pérdida de electrones se conozca como oxidación es que el oxígeno, que atrae muy fuertemente a los electrones, es el que por lo general actúa como aceptor de electrones.

La reducción es, por el contrario, la ganancia de un electrón. La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que pierde el átomo oxidado es aceptado por otro átomo que se reduce en el proceso. En las reacciones un átomo o molécula que pierde electrones se oxida; el que los gana se reduce.

Ejemplos de reacciones:

a.La oxidación del sodio y la reducción del cloro.
b.Otra reacción de oxidación-reducción; oxidación parcial del metano (CH4).


3.2 Potencial redox

El potencial redox se puede medir cuantitativamente en celda electroquímicas. Una reacción sencilla. Que comprende la transformación de un par de electrones de Zn al Cu
Zn + Cu→ Zn+2 + Cu

Las soluciones están conectadas por un alambre a través de dos electrodos permitiendo que los electrones fluyan entre las celda. La dirección de la corriente a través del circuito nos dice que el Cu+2 tiene una afinidad mayor por los electrones que el Zn. La lectura del voltímetro representa una diferencia de potencial; la diferencia de potenciales de la reacción. El potencial medido es la fuerza electromotriz o fem.

Para medir este potencial es necesario tomar un estándar en este caso se midió el posesión redox de H+ gaseoso en condiciones estándar que tienen un valor de 0.0. A partir de esta se compararon otras semi-reacciones. El potencial redox estándar de una semi reacción se mide con un par redox en donde ambos soluciones se encuentran a una concentración de 1M. Bajo condiciones estándar para mediciones biológicas las concentraciones de iones H+ en las celdas es de 10-7. El volumen a través del par redox mide la diferencia de potencial de reducción estándar (ΔE°) (diferencia entre la el potencial redox H+ y el potencial redox de H+ para mediocres biológicas). Los electrones fluyen espontáneamente de los potenciales de reducción más negativos a los más positivos.
El potencial de recocción estándar (E°’) para la transferencia de electrones de una clase de molécula a otra esta relacionado con el cambio de energía libre estándar por la ecuación: Δ G°’ = -n f (Δ E°’)

Donde n es en numero de electrones transferidos f es la constante de Faraday (23.06 kcal/V mol y ΔE°’ es la diferencia entre los potenciales de reducción estandar de las espacies reducida y oxidadas.
Recordando la ecuación de la energía libre de Gibs tenemos que:
ΔG°’ = -2.303 RT log Keq y combinando ambas ecuaciones tenemos

ΔE°’= -2.303(RT/ n f) log Keq

En seta ecuación nos damos que la fem (ΔE) tienen relación con el cambio en el potencial de reducción estándar (ΔE) mediante la caución de Nernst

ΔE = ΔE°’- 2.303(RT/ n f) log([Aox][Bred]/[Ared][Box])

Haciendo la operación te todas las constantes 2.303( RT/ f ) nos quedamos solo con:

ΔE= EΔ°’ – (0.059/ n) log Q

Si deseamos calcular la Fem de una reacciona bajo condiciones no estándar, entonces debemos usar las concentraciones reales de los reactantes y los productos.


Potencial de reducción estándar para algunas semirecciónes de óxido reducción biológicas importantes

Semirreaccion E°’ (v)
Fe +3 +e- → Fe+2 0.82
NO3 +e- → NO2 0.42
Citocromo a Fe +3 +e- → Fe+2 0.29
Citocromo b Fe +3 +e- → Fe+2 0.25
Citocromo c Fe +3 +e- → Fe+2 0.22

3.3 Radicales libres
En química, un radical es una especie química (orgánica o inorgánica), en general extremadamente inestable y, por tanto, con gran poder reactivo por poseer un electrón desapareado.
Los radicales tienen una configuración electrónica de capas abiertas por lo que llevan al menos un electrón desapareado que es muy susceptible de crear un enlace con otro átomo o átomos de una molécula. Desempeñan una función importante en la combustión, en la polimerización, en la química atmosférica, dentro de las células y en otros procesos químicos.
Para escribir las ecuaciones químicas, los radicales frecuentemente se escriben poniendo un punto (que indica el electrón impar) situado inmediatamente a la derecha del símbolo atómico o de la fórmula molecular como:

H2 + hν → 2 H• (reacción 1)

Tipos de radicales Según el número de átomos, los radicales pueden ser:

monoatómicos, como el radical cloro Cl•, el radical bromo Br•, o el radical hidrógeno H•, que son simplemente átomos o iones con un número impar de electrones.
poliatómicos, formados por más de un átomo, como el radical metilo, CH3•


Según el átomo central que posee el electrón impar
Dependiendo de cual sea el átomo central que posee el electrón desapareado, los radicales pueden ser:

Radicales centrados en el carbono: como un radical alquilo (por ejemplo, el radical metilo .CH3), o un radical arilo. Dentro de los radicales centrados en C conviene distinguir, según sea el carbono que porta el electrón desapareado, entre radicales primarios (como el radical metilo CH3•), radicales secundarios (como el radical ); y radicales terciarios (como el radical trifenilmetilo). Los radicales terciarios son más estables que los secundarios, y éstos a su vez son más estables que los primarios.

Mecanismo general de una sustitución radicalaria

Mecanismo general de una reacción de sustitución. Las reacciones en las que intervienen radicales libres se llaman reacciones radicalarias. Se dividen normalmente en tres fases: iniciación, propagación y terminación.

La reacción global de sustitución se puede descomponer en los siguientes procesos:

Reacciones de iniciación Son las reacciones que producen un aumento en el número de radicales libres.

Implica una ruptura homopolar provocada por termólisis o fotólisis.
Luego una ruptura favorecida por un radical iniciador Init•
Reacciones de propagación: Se producen reacciones entre radicales.
Reacciones de terminación: Finalmente, se recombinan los radicales para formar moléculas más estables.

Producción de radicales en seres vivos
Los radicales se producen en la respiración con la presencia de oxígeno que aunque es imprescindible para la vida celular de nuestro organismo, también induce la formación de éstas moléculas reactivas, que provocan a lo largo de la vida efectos negativos para la salud debido a su capacidad de alterar el ADN (los genes), las proteínas y los lípidos o grasas ("oxidación"). En nuestro cuerpo existen células que se renuevan continuamente como las células de la piel, del intestino, y el hígado, y otras sin capacidad de renovación como las neuronas. En el transcurso de los años, los radicales libres pueden producir una alteración genética sobre las células que se dividen continuamente contribuyendo a aumentar el riesgo de cáncer por mutaciones genéticas o bien, disminuyen la funcionalidad de las células que no se dividen tanto, disminuyendo el número de mitocondrias, que es característico del envejecimiento.

Las situaciones que aumentan la producción de radicales libres son:

La contaminación ambiental.
El tabaquismo.
Las dietas ricas en grasas.
Exposición excesiva a las radiaciones solares.
La ingesta de aceites "vegetales" que fueron refinados, ya que estos contienen radicales libres al ser sometidos a altas temperaturas.
El estrés.





REFERENCIA
.wikipedia.org/wiki/Radical_(química)

Horton H. Robert. Bioquímica. Editorial Prentice