Envejecimiento y metabolismo energético mitocondrial, Ivana Bratic, Aleksandra Trifunovic

 Las mitocondrias tienen un papel central en el metabolismo energético. Parte de la energía libre derivados de la oxidación de los alimentos se encuentra dentro mitocondrias que transformó a la ATP, moneda energética de la célula.Este proceso depende de oxígeno. Cuando el oxígeno es limitado, productos glucolíticamente se metabolizan directamente en el citosol por los efectos menos eficiente.La producción de ATP mitocondrial se basa en el transporte de electrones de la cadena (ETC), integrado por los complejos de la cadena respiratoria I-IV, que electrones en la transferencia de una manera gradual hasta que finalmente reducir el oxígeno para formar agua. El NADH y FADH2 formados en la glucólisis, de oxidación de ácidos grasos y el ciclo del ácido cítrico son moléculas ricas en energíaComplejos I, III y IV función como bombas de H +que son impulsadas por la energía libre de oxidación, junto con reacciones. Durante la transferencia de electrones, los protones son bombeados siempre desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, como resultado en un potencial de ~ 150 a 180 mV. la fuerza motriz de protones, que impulsa la fosforilación del ADP a través de la ATP sintasa (foF1 ATPasa-complejo V).  Normalmente hay una estrecha conexión entre el  transporte de electrones y la síntesis de ATP y una inhibición de la ATP sintasa lo tanto, también inhiben el transporte electrónico y la respiración celular. Bajo ciertas condiciones, los protones pueden volver a entrar en la matriz mitocondrial sin contribuir a la síntesis de ATP y la energía del gradiente electroquímico de protones se dará a conocer en forma de calor . Este proceso, conocido como fuga de protones o  desacoplamiento mitocondrial, podría estar mediada por proteínas desacoplantes (UCPs) . Como consecuencia, el desacoplamiento lleva una  baja producción de ATP con altos niveles de electrones.

 

 

 

La mitocondria y el corazón, Jóse Marin-Garci y Michael J.Goldenthal

las anomalias en la funcio y estructura de las mitocondrias estan asociadadas con en fermedades cardiovasculares, como la miocardiopatía dilatada e hipertrofica, defectos de la conducion cardiaca y muerte subita, miocardiopatia isquémica y alcolica y miocarditis. algunas anomalias mitocondriales pueden tener una base genetica.
las mitocondrias constituyen un  20-40% del volumen celular, por ser un tejido de gran demanda energetica.
los ácidos grasos son el pricipal sustrato del musculo cardiaco para formar ATP.
las mitocondrias humanas contienensu propia molecula de ADN de doble cadena que enloba 16.569 que codifica 13 proteinas las cuales forman parte de los 5 complejos enzimaticos involucrados en el transporte de electrones y la fosforilacion oxidativa.

 La producción energética mitocondrial depende de factores genéticos codificados por el núcleo y por el ADNmt, que modulan la función mitocondrial normal, incluyendo la actividad enzimática y la disponibilidad de cofactores, y de factores ambientales como la disponibilidad de combustibles (p. ej., azúcares, grasas y proteínas) y oxígeno. la oxidación del piruvato, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos y la vía final común de la fosforilación oxidativa que genera el 80-90% del ATP celular.La vía de transporte de carnitina para el influjo mitocondrial de ácidos grasos, el transportador de piruvato, el canal de K+ y el transportador de Ca2+ se encuentran localizados en las membranas mitocondriales.

Los genes de ADNmt que codifican proteínas son transcritos en forma de ARNm específicos que se traducen en un complejo específico de síntesis ribosoma/proteína. El ADNmt también codifica parte de la maquinaria de síntesis proteica mitocondrial, como 2 ARN ribosómicos (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt), como se observa en la figura 2. En general, cada célula cardíaca contiene múltiples mitocondrias (50-100) y cada mitocondria contiene múltiples copias de ADNmt (1-10 moléculas/mitocondria).

las proteínas codificadas por el núcleo son sintetizadas en ribosomas citosólicos, dirigidas a las mitocondrias e importadas por procesos complejos. Por tanto, puede esperarse que determinadas mutaciones en genes nucleares involucrados en la biogénesis mitocondrial contribuyan en parte a los defectos observados en las enzimas cardíacas mitocondriales y en el ADNmt, como el aumento de la incidencia de deleciones de ADNmt a gran escala, y depleción de ADNmt asociados a alteraciones cardíacas. se han identificado unas pocas mutaciones en los genes nucleares que afectan a la biogénesis mitocondrial y que conducen a alteraciones cardíacas. La oxidación de los ácidos grasos proporciona una pequeña parte de la producción global de ATP debido a que los valores de ácidos grasos circulantes son bajos, y también como consecuencia de la inhibición de la oxidación de los ácidos grasos por los elevados valores de lactato presentes en el corazón fetal.

Las proteínas específicas asociadas a la membrana mitocondrial y las proteínas citoplasmáticas involucradas en la captación de los ácidos grasos de cadena larga se encuentran reguladas de forma coordinada durante el desarrollo del tejido cardíaco.La creatincinasa cardíaca mitocondrial (CKmt), que permanece indetectable en las fases iniciales del desarrollo fetal, presenta una activación de su expresión durante el desarrollo neonatal. . Las mitocondrias, por ser el principal lugar de generación de radicales libres del oxígeno, son la diana crítica de su efecto nocivo; la localización de la cadena respiratoria en la membrana interna de la mitocondria hace que a menudo resulte dañada, lo que a su vez produce un aumento de la generación de radicales libres del oxígeno que conduce a un círculo vicioso de deterioro de la función mitocondrial.

La cardiolipina, que es el fosfolípido insaturado celular más abundante, es el principal componente de la membrana mitocondrial interna, y desempeña un papel integral en la función de transporte de la membrana mitocondrial cardíaca, en su fluidez y estabilidad, además de facilitar la función de las enzimas bioenergéticas que se encuentran en la membrana. Con el envejecimiento también se produce un aumento de la tasa de deleciones a gran escala y de mutaciones puntuales del ADNmt cardíaco, y una reducción de las actividades enzimáticas mitocondriales. estas anomalías mitocondriales pueden ser debidas en gran parte al aumento de la producción mitocondrial de radicales libres del oxígeno asociado al envejecimiento. Sin embargo, el efecto del envejecimiento sobre la función de las enzimas implicadas en la fosforilación oxidativa cardíaca ha sido revaluado recientemente y se ha cuestionado el grado y el papel que desempeña el declive de la función bioenergética mitocondrial.  Una gran cantidad de cambios/parámetros fisiológicos puede tener influencia sobre las actividades enzimáticas mitocondriales. En las miocardiopatías existen defectos discretos de la fosforilación oxidativa mitocondrial o deficiencias en la cadena respiratoria. Las mutaciones patogénicas del ADNmt se encuentran localizadas generalmente en nucleótidos altamente conservados a lo largo de la evolución, y a menudo tienen una presentación heteroplásmica (una población mixta de genomas de ADNmt mutante y silvestre), aunque evidencias recientes indican que las mutaciones patogénicas de ADNmt pueden ser también homoplásmicas.

Se han identificado mutaciones patogénicas de ADNmt en varios genes de ARNt mitocondriales que están asociadas a miocardiopatías. En general, las mutaciones patogénicas de ARNt mitocondrial afectan negativamente a la síntesis proteica de las mitocondrias y la actividad de múltiples enzimas respiratorias. Se ha descrito también una mutación de ADNmt asociada a miocardiopatía en el ARNr. Asimismo, otras mutaciones puntuales de ADNmt que se encuentran en otras localizaciones del ADNmt (algunas en genes de ARNt, otras en genes del ADNmt codificadores de proteínas), que no están presentes en individuos normales se han asociado a pacientes con miocardiopatía dilatada. Las enfermedades multisistémicas mitocondriales con afección cardíaca se describen asociadas a un espectro creciente de manifestaciones clínicas. De la misma forma, determinados síndromes o fenotipos pueden estar causados por mutaciones completamente diferentes del ADN nuclear o mitocondrial. Por ejemplo, el síndrome de Leigh puede estar causado por mutaciones en la subunidad de la ATPasa-6, por mutaciones puntuales en el gen LYS del ARNt mitocondrial, por mutaciones del ADN nuclear de la piruvato deshidrogenasa por mutaciones nucleares que afectan a las subunidades del complejo II o por depleción del ADNmt. También se han asociado a alteraciones cardíacas los reagrupamientos esporádicos a gran escala del ADNmt. Este tipo de deleciones son el reflejo de un daño específico del ADNmt (presumiblemente como consecuencia de los radicales libres del oxígeno), son dependientes de la edad y sigue sin esclarecerse su papel en las enfermedades cardíacas.

Se ha descrito la depleción en los valores de ADNmt cardíaco en pacientes con una miocardiopatía aislada, tanto dilatada como hipertrófica. Además, la depleción del ADNmt cardíaco puede ser inducida específicamente por zidovudina (AZT), que inhibe tanto la polimerasa de ADN del VIH como la polimerasa gamma del ADNmt, lo que interfiere con la replicación de ADNmt. En humanos y en animales tratados con AZT se han encontrado valores reducidos de ADNmt cardíaco asociados a una marcada disminución de la actividad de las enzimas respiratorias y un fenotipo clínico de disfunción cardíaca.

Las mutaciones en un amplio grupo de genes nucleares que codifican proteínas mitocondriales pueden causar miocardiopatías. Por ejemplo, una miocardiopatía es a menudo una consecuencia de mutaciones en proteínas transportadoras mitocondriales (p. ej., la translocasa de la carnitina-acilcarnitina) que facilitan el paso de metabolitos críticos a través de la membrana mitocondrial interna, y también de mutaciones en la frataxina, una proteína de transporte mitocondrial implicada en la acumulación mitocondrial de hierro que causa la ataxia de Friedreich (a menudo se presenta con miocardiopatía hipertrófica). También se han implicado en algunas enfermedades de base mitocondrial, como el síndrome de Leigh, algunas mutaciones de genes nucleares que codifican factores necesarios para el ensamblaje y el funcionamiento de las múltiples subunidades que conforman los complejos enzimáticos respiratorios. La miocardiopatía es la manifestación clínica primaria de diversas alteraciones hereditarias de la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos. También se han encontrado asociados a miocardiopatía los defectos en el transporte de carnitina al interior de las células, así como defectos en el mecanismo de transporte carnitina-acilcarnitina, responsable del transporte de ácidos grasos al interior de la mitocondria. Los defectos en la proteína mitocondrial trifuncional que afectan a la proteína de cadena larga L-3 hidroxilacil-CoA están asociados frecuentemente a la miocardiopatía dilatada. La patogenia cardíaca de estas alteraciones hereditarias que afectan a la betaoxidación de los ácidos grasos y el metabolismo de la carnitina incluyen probablemente dos factores: un deficiente aporte bioenergético al corazón y la acumulación de concentraciones tóxicas de ácidos grasos con la subsiguiente disfunción cardíaca. Los defectos en la conducción cardíaca y las arritmias están presentes frecuentemente en pacientes con defectos específicos en la oxidación de los ácidos grasos. Además, la acumulación de metabolitos de ácidos grasos de cadena larga (p. ej., la acilcarnitina de cadena larga) desempeña un papel fundamental en el desarrollo de arritmias ventriculares que tienen lugar durante la isquemia miocárdica. En pacientes con mutación en el G4.5 se produce un aumento de l os valores de ácidos grasos saturados, mientras que los ácidos grasos insaturados y la cardiolipina están marcadamente reducidos. Una función defectuosa de la aciltransferasa puede resultar en un aumento de la saturación de los ácidos grasos, lo que perjudica la fluidez y la función de las membranas cardíacas.

Algunos pacientes con mutaciones específicas de la cadena pesada de la betamiosina pueden desarrollar un número anormal de mitocondrias y una marcada reducción de la función respiratoria mitocondrial Se ha sugerido una interacción potencial entre estas mutaciones nucleares patogénicas y las mutaciones de ADNmt a partir de estudios que demuestran la coexistencia de mutaciones de la cadena pesada de la betamiosina y del ADNmt en pacientes con miocardiopatía hipertrófica⁷⁷. Las localizaciones celulares defectuosas de las mitocondrias pueden desempeñar un papel crítico en la fisiopatología cardíaca, al modificar la función bioenergética cardíaca.

Existen evidencias que demuestran que la apoptosis (muerte celular programada), que conduce a la pérdida de células cardíacas y al remodelamiento del ventrículo izquierdo, constituye un hecho significativo de la insuficiencia cardíaca en pacientes con miocardiopatía dilatada y en modelos animales. La apertura del PTP produce una disipación del potencial transmembrana mitocondrial (ΔΨ m) y una despolarización de la membrana mitocondrial. La disminución del contenido de ATP promueve la transferencia de la proteína Bax al PTP. Cada vez hay mayor número de fármacos/toxinas con efectos deletéreos conocidos sobre la función mitocondrial cardíaca. Los cambios mitocondriales incluyen un gran aumento de la producción de radicales libres debido a una actividad anormal de la deshidrogenasa de NADH; un incremento del daño del ADNmt, del tipo de acumulación de 8 OHdG y deleciones a gran escala de ADNmt; alteraciones en la homeostasis del Ca2+ mitocondrial; cambios en la actividad de las enzimas implicadas en la oxidación de los ácidos grasos (p. ej., el CPTI) y aumento de la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina. La mayor parte de los efectos bioquímicos deletéreos de la doxorrubicina puede ser contrarrestada con la suplementación de alguno de los siguientes factores: MnSOD, carnitina, adenosina o metalotioneína, capaces de aportar grados variables de cardioprotección. También existe evidencia de que la doxorrubicina actúa sobre el PTP mitocondrial, modulando el flujo de Ca2+, la generación de radicales libres del oxígeno, la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina, el transporte y metabolismo de carnitina y la integridad del ADNmt. Además de permitir el examen de los efectos específicos sobre la función cardíaca que se derivan de la eliminación de genes implicados en la función mitocondrial, los ratones knock-out específicos de tejido con una miocardiopatía mitocondrial se han utilizado para identificar los genes modificados con potencial valor terapéutico.

El diagnóstico de la disfunción mitocondrial en la enfermedad cardíaca procede en gran parte de estudios de biopsias endomiocárdicas que han utilizado análisis histoquímicos, ultraestructurales y de la actividad de las enzimas de la fosforilación oxidativa y de la respiración celular. También puede ser informativo el análisis de ADN utilizado para identificar mutaciones patogénicas específicas del ADNmt, el análisis de las deleciones a gran escala del ADNmt y la evaluación de los niveles de ADNmt; sin embargo, según nuestra experiencia, la incidencia global de mutaciones patogénicas de ADNmt es baja en pacientes con enfermedad cardíaca, incluyendo aquellos que presentan defectos de las enzimas de la fosforilación oxidativa. Una vez que las mutaciones específicas de ADNmt han sido identificadas, su significado funcional puede ser confirmado utilizando tecnología «cíbrida». Según esta metodología, los citoplastos de los pacientes (células enucleadas que contienen las mitocondrias y el ADNmt de los pacientes) son fusionadas con células rhoº receptoras deficientes en ADNmt (células nucleadas en cultivo cuyo ADNmt ha sido eliminado mediante crecimiento prolongado en bromuro de etidio). Los pacientes con miocardiopatía secundaria a deficiencia a pueden ser tratados con L-carnitina oral. Por el momento, disponemos de una información limitada en relación con la estructura y función mitocondriales en células ES, y no existen datos sobre su utilidad en las enfermedades cardíacas que presentan anomalías mitocondriales extensas, ni sobre pruebas realizadas para probar la cardiotoxicidad mitocondrial.

El desarrollo de la ingeniería celular basada en la terapia con células ES puede tener un importante impacto en el tratamiento de las enfermedades cardíacas basadas en defectos mitocondriales.

El uso eficaz de la terapia génica para el tratamiento de los defectos derivados del ADNmt en la fosforilación oxidativa está pendiente de una metodología basada en el reemplazo génico mitocondrial en células humanas.

Mitocondrias como consumidores de ATP en patología celular Christos Chinopoulos, Vera Adam-Vizi

la función de las mitocondrias es proporcionar ATP para las funciones celulares,  participa en la homeostasis del Ca2+ , la generacion y eliminacion de especies reactivas de oxigeno.Además, las mitocondrias puede integrar y lanzar señales letales que conduce a la muerte celular. ATP

disposición y Ca2 + liberacion/absorción son funciones fisiológicas esenciales

la síntesis de ATP es llevado a cabo en por complejos enzimaticos. el Complejo I de la cadena respiratoria.  ATPasa comienza a funcionar como una bomba de protones y de hidrólisis del ATP en situ en las mitocondrias de las terminales nerviosas aisladas (sinaptosomas) la ATPasa, lo que demuestra claramente el papel de la F0F1-ATPasa en las enfermedades de neurodegeneracionLa glucólisis es la principal fuente de ATP para las funciones dependientes de ATP, sobre todo la de Na + / K +-ATPasa de la membrana plasmática, y la hidrólisis del ATP por la F0F1-ATPasa,el potencial electroquimico de membrana y la hidrolisis del ATP. Glucolítica generación de ATP se puede acelerar 10 veces en terminaciones nerviosas cuando lo fosforilacion es abolida, como resultado, el ATP / ADP disminuye relación de! 70% pero no se derrumba, el grado de inhibición fue suficiente para disminuir el nivel de ATP. El complejo I fue sólo parcialmente inhibida en los pacientes con Enfermedad de Parkinson (aprox. 30%), pero
el grado de inhibición fue sufi-ciente para disminuir el nivel de ATP en terminaciones nerviosas, lo que sugiere una alto control del flujo de la cadena respiratoria por el complejo I en las terminales nerviosas. También se ha demostrado que cuando el complejo I es inhibida en un 25%, la F0F1-ATPasa ya invierte y apoya el mantenimiento de el potencial electroquimico en
terminales nerviosas aisladas. El estrés oxidativo es otro factor que podría contribuir a la inversión de la F0F1-ATPasa en condiciones patológicas relevantes para neurodegeneración, un efecto de el estres oxidativo es la glutamato inducida por la despolarización mitocondrial enzima, la  fosfato deshidrogenasa por ROS, resultando en un número limitado de ATP la glucólisis proporciona ATP para la hidrólisis del ATP por la inversa F0F1- ATPasa. la  generación glucolítica de ATP se convierte en crítico cuando es complejo I es inhibido y el potencial electroquimico mantiene la funcion de lo F0F1-ATPasa reversa. el consumo de ATP mitocondrial se han examinado en una variedad de Na + homeostasis. El papel de la plasmalemmal Na + / K + ATPasa,como la reacción de los principales de ATP en las neuronas que utilizan y el de la retículo endoplasmático y plasmalemmal Ca2 +-ATPasa es evidente en la pérdida de la Na + y la homeostasis del Ca2 +, condiciones que implican el consumo de ATP por la mitocondria puede ser fatal,es un elemento clave en la iniciación / multiplicación neuronal de daños, que se caracteriza mejor por la excitotoxicidad del glutamatoutilizando el estado de tratamiento in situ enfoques bioenergéticos que  Na + carga resultado en el agotamiento del ATP, la pérdida de la capacidad de las mitocondrias se utiliza in situ. Factores que determinan el consumo de ATP por la mitocondria En el aislamiento, la foF1-ATPasa mitocondrial enérgicamente hidroliza ATP.la formación / proceso de hidrólisis, es decir, libre de la matriz [ADP], libre de la matriz [Pi], libre de la matriz [ATP], el pH de la matriz y el pH espacio intermembrana, como así como la H + / ATP (acoplamiento relación de "n" ). ATPasa operar e invertir no se comprende totalmente. procesos que consumen ATP citosólico y mitocondrial beneficios "t de la alta disposición de ATP por la operación de la síntesis de la foF1-ATPasa, 60! PH, donde! PH es el gradiente de pH en el interior de las mitocondrias translocasa nucleótidos de adenina (ANT) y foF1 ATPasa-deben operar a la inversa, cuando las mitocondrias consumen ATP citosólico. operaciones de la ANT y del foF1-ATPasa no se encuentran necesariamente en [ADP] y [ATP] como reactivo común.  el pH del espacio intermembrana, así como la H + / ATP dictan el tipo de la reacción ANT. sintosoma ATP (ATPasa: transportador de Pi: ANT 01:01:01 relación) ANT. Además, la operación inversa de la foF1-ATPasa está sujeto sincronía de dirección en el funcionamiento de ANT y foF1 ATPasa. fosforilación dentro de la matriz podría suministrar ATP a la foF1- ATPasa. PEPCK mitocondrial, por su reacción inversa formación al citosol.la ligasa en las mitocondrias de cerebro enfermo podría determinar si la matriz en la fosforilación a nivel de sustrato podría proporcionar ATP para foF1-ATPasa de trabajo a la inversa.de la hidrólisis del ATP por la foF1-ATPasa. la apertura de poros en las mitocondrias, obviamente, ATPasa, con un acceso directo a citosólica de ATP. dos ramas "cationes: (i) ANT ya no controla la hidrólisis del ATP por la FoF1-ATPasa y (ii) de ADP y Pi, los productos de hidrólisis de la foF1- ATPasa, se diluyen en el continuo citosol de la matriz, por lo tanto, el estimular la glucólisis. significante "El papel de peralte en efecto" fosforilación oxidativa suficiente.Además, el "cableado" de la producción de ATP mitocondrial a la energía nuclear generación de ATP mitocondrial de ATP en las mitocondrias que consume. mitocondrias experiencia PTP: (i) el derrame de citrato de la mitocondria deshidrogenasa gliceraldehído-3-fosfato de reacción. mitocondrias exhiben PTP, la producción de ROS no se incrementa, como disminución de la producción de ATP por la glucólisis. 
un mecanismo para prevenir el consumo excesivo de ATP por la foF1- ATPasa, durante la despolarización mitocondrial amplia, fundamentada que inhibe la actividad de la hidrolasa de ATP foF1- ATPasa, debido a la inhibición de la operación inversa de foF1-ATPasa por el IF-1 bastante sorprendente es que la inhibición de la foF1-ATPasa de IF-1 es incompleta, con lo que las piscinas de ATP mitocondrial y citosólica se han generado un inhibidor sintético foF1-ATPasa, se llama BMS-199264, paradigmas de la reperfusión, sin afectar la síntesis de ATP. La multitud de citosólica, así como matriz de los procesos de ATP que consume, todo depende de la provisión de ATP por la fosforilación oxidativa, mitocondrias a consumir citosólico y / o ATP mitocondrial en la célula estrés.

en las mitocondrias de cerebro. deficiencias mitocondriales participa en deterioro celular asociado estados patológicos como isquemia y reperfusión, excitotoxicidad, neurodegenerativas enfermedades, o trauma las características de las mitocondrias estan intrínsecamente relacionada, alteración mitocondrial ,la función implica generalmente la energía de "cit, deterioro Ca2+ ", la homeostasis, así como el estrés oxidativo .no sólo para producir ATP, pero funcionan como consumidores ATP. el gradiente electroquimico de protones (pmf)proporciona energia a  unidades de la ATP para la hidrolización F0F1-ATPasa de funcionar como ATP sintasa y promueve la fosforilación del ADP a ATP. en la mitocondria que tiene una respiración alterada o con fugas internas en la  membrana, la F0F1-ATPasa se invierte y, a expensas de la hidrólisis ATP , contribuye al mantenimiento de potencial de membrana en una óptimom nivel de bombeo de protones en la matriz,la F0F1-ATPasa consume las reservas de ATP celular de conducción de la célula en una eventual crisis energética aumento de la demanda de ATP, el deterioro celular se acelera. La contribución de las mitocondrias a la muerte celular ha sido objeto de estudio, evidencia de muerte celular por apoptosis en característica de las mitocondrias disfuncionales para liberar la señalización de muerte.Para  las funciones mitocondriales intactas, la integridad de la membranas mitocondriales es fundamental; las mitocondrias que tienen membrana interna con fugas es necesario revertir la F0F1-ATPasa de hidrolizar ATP y apoyandose del potencial de membrana, la membrana externa desde la matriz mitocondrial es hiperosmolar y la mitocondria no puede convertirse en consumidores de ATP citosólico. El consumo de ATP por las mitocondrias en las condiciones asociadas a la neurodegeneración aun son desconocidas.

LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA.Leopoldo de Meis and Gutemberg G. Alves

Este articulo trata sobre diferencias entre los compuestos fosfatados de alta y baja energia. 

Los compuestos de fosfato son la materia biológica común de intercambio de energía y el trifosfato de adenosina (ATP) es el portador de energía más importante de la célula. las ATPasas pueden convertir la energía derivada de hidrólisis del ATP en el trabajo (contracción muscular), el transporte de iónes (Ca2+-ATPasa, Na++K+-ATPasa) o aún la producción de luz (luciferasa de las luciérnagas).No toda la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato es convertida en trabajo por las enzimas; una parte significativa de la energía total se disipa en el ambiente circundante como calor.antes de la ruptura del compuesto de fosfato, las ATPasas pueden modular la conversión de la energía durante el ciclo catalítico, determinando la fracción de la energía derivada del compuesto de fosfato que será convertida en trabajo y en calor.

Los compuestos de fosfato de alta y baja energía 

(i) La energía que se deriva de hidrólisis de un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula. El enlace de N-P del fosfato de creatina, el fosfato del enol del fosfoenolpiruvato, las uniones fosfoanhídrido del ATP y de PPi, y el enlace del

acilfosfato del aspartil fosfato eran enlaces de fosfato ricos en energía típicos.

(ii) Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrían una constante de equilibrio baja para la hidrólisis. En este sentido, los fosfoésteres tales como la glucosa-6-fosfato y el glicerol fosfato son compuestos de fosfato típicos de baja energía.

(iii) Se pensaba que la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra, dependía solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos. Así, el fosfato gama del ATP se puede transferir a una molécula de glucosa formando glucosa-6-fosfato, pero en condiciones fisiológicas, la reacción reversa no sería posible a menos que energía adicional fuera proporcionada al sistema. Entonces la única manera de regenerar cualquier molécula de ATP hidrolizado en la célula sería invertir compuestos de fosfato de energía igual mayor que el propio ATP, tal como por ejemplo la creatina.

En 40´s, no se sabía sobre la estructura de las proteínas y del mecanismo catalítico de las enzimas. Por lo tanto, en la revisión de Lipmman quedó implícito que la energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato sería la misma sin importar si estuvieran unidos a la enzima o libres en solución.

En base a las formulaciones anteriormente descritas, se pensaba que la secuencia de

eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los

siguientes pasos:

(i) La enzima une al ATP;

(ii) El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento

exacto de la ruptura del enlace de fosfato.

(iii) La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar

trabajo. Para la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi, la secuencia de eventos sería

igual, pero en orden inverso;

(iv) La enzima ahora uniría al ADP y al Pi;

(v) Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria dirigir la síntesis del ATP;

(vi) Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el

citosol sin la necesidad de energía extra.

se infirió que el trabajo sería realizado en la parte de la molécula de la enzima en donde se libera la energía

Estos conceptos permanecieron desde 1941 hasta 1970, la mayoría del trabajo se fue de naturaleza teórica y se pensaba que la naturaleza de "alta energía" del enlace de fosfato era dependiente de efectos intramoleculares tales como resonancia de oposición, las repulsiones electrostáticas y la distribución del electrón a lo largo del esqueleto de la molécula .

(PPi) y del ATP, estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia de oposición del enlace P-O-P.

La carga negativa de cualquier lado del enlace se rechazaría, creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad a lo largo del esqueleto.

Consecuentemente, sería fácil romper la molécula y difícil mantener unidos a los productos de la

reacción hidrolítica. La combinación de estos dos factores sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis de los enlaces del fosfoanhídrido del ATP o de PPi.

en los años 20´s cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (Pi) en los tejidos animales. Durante el transcurso de su experimento, purificaron al ATP y al fosfato de creatina de tejidos animales, no se conocían la importancia fisiológica de estos compuestos de fosfato. años despues descubrieron que los compuestos eran portadores de energía y que su ruptura proporciona la energía necesaria para la contracción muscular. En 1941 los conceptos de compuestos de fosfato “ricos" y “pobres” en energía fueron presentados por Lipmann, proponiendo:i.e., en la vecindad inmediata del sitio catalítico.se pensaba que la elevada constante de equilibrio (Keq) para la hidrólisis del PPi

En 1970  George y colaboradores, concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. se esperaría que las moléculas de agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión eletrostatica, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando los puntos débiles generados a lo largo de la esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.

George y colaboradores propusieron que la Keq para la hidrólisis de un compuesto de fosfato se debe determinar por las diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos, no por efectos intramoleculares. La energía de solvatación es la cantidad de energía necesaria para remover a las moléculas de solvente que se organizan alrededor de una sustancia en solución. Mientras más solvatada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solvatada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos. En este sentido, la Keq de una reacción es alta cuando los productos están más solvatados que los reactivos.

el acetilfosfato y los enlaces de N~P de la fosfocreatina y de la fosfoarginina son de alta energía.

Sin embargo, en la fase gaseosa, esto no es verdad. Por el contrario, la energía libre positiva de hidrólisis indica que cuando los reactivos y los productos no están solvatados, el acetilfosfato y la fosfocreatina son más estables que los productos de su hidrólisis, y según la definición de Lipmann, se comportan como compuestos de fosfato de baja energía. el concepto de energía de solvatación parece ser válido solamente para los compuestos de fosfato de alta y no para los de baja energía porque los valores calculados para las energías de

hidrólisis de la glucosa-6-fosfato y otros los fosfoésteres son iguales sin importar si las moléculas

están en soluciones acuosas o en fase gaseosa.

en 1978 que la teoría de solvatación fue revisada y verificada por Hayes y colaboradores, calcularon la energía de hidrólisis de varios los compuestos de fosfato en fase de gaseosa, una situación en la cual los reactivos y los productos no están solvatados y compararon estos valores con los obtenidos en agua. En solución acuosa,

En 1984 se descubrio de que la misma especie química, un residuo acilfosfato, tendría diferentes energías de hidrólisis dependiendo, si está en solución (agua) o en la superficie de la enzima.  se midio la energía de

hidrólisis del PPi en medios con diversas actividades de agua, y la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. En medios totalmente acuosos (Wa = 1), el

compuesto de alta energía a uno de baja. Un año despues Wolfenden y Williams encontraron que el ATP se podría sintetizar espontáneamente en cloroformo hidratado y recientemente Kirby et al., observaron que el acetilfosfato se puede sintetizar espontáneamente en medios con actividad de agua disminuida. Contrastando con el PPi, el ATP y los residuos de acilfosfato, la actividad de agua no tiene prácticamente ningún efecto en la

energía de hidrólisis de fosfoésteres tales como glucosa-6-fosfato. En medio totalmente acuoso, el PPi se comporta como compuesto de alta energía cuando se compara con la glucosa 6-fosfato, pero en un ambiente hidrofóbico (Wa = 0.5) la glucosa-6-fosfato se convierte en un compuesto de fosfato con una energía de hidrólisis más alta que el PPi .

ΔGo de hidrólisis de PPi fue -5 kcal/mol, pero se elevó a +1 kcal/mol cuando la actividad de agua del medio fue disminuida a 0.5. por lo tanto dependiendo de la actividad de agua del medio, el PPi podía cambiar de un

se observo que los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas

R. rubrum contienen una enzima pirofosfatasa inorgánica membranal, que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana de los cromatóforos iluminados. Cuando la luz se apaga (en oscuridad), el PPi sintetizado previamente es metabolizado por la enzima.

 La enzima soluble puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad de agua del medio es reducida por la adición de solventes orgánicos. En esta condición, el

previamente es metabolizado por la enzima porque ahora el PPi se ha convertido en un compuesto de alta energía con una Keq alta para la hidrólisis. se concluyo que:(a) una disminución de Wa puede desempeñar un papel en el mecanismo por el cual la energía derivada del gradiente electroquímico generado por la luz es utilizado para la síntesis de PPi en los cromatóforos de

PPi es un compuesto de fosfato de baja energía y se forma espontáneamente mientras que en el segundo ambiente se convierte en un compuesto de fosfato de alta energía.

ΔGo de hidrólisis de PPi tiene un valor positivo, es decir, el PPi no es un compuesto de alta energía y se sintetiza espontáneamente. Si  diluimos el medio con agua, para disminuir la concentración del solvente orgánico y aumentar la actividad de Wa del medio, el PPi sintetizadoR. rubrum. (b) para la síntesis del PPi, la energía no es necesaria para la formación del enlace covalente del PPi como se pensaba en los años 40´s, sino al contrario para modificar el ambiente de un punto bajo de actividad de agua a uno elevado. En el primer ambiente el

Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las

enzimas,

estudios revelaron que la energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo  de si están en solución o unidos a la enzima. Las reacciones que se pensaban prácticamente irreversibles en solución acuosa, ocurren espontáneamente cuando los reactivos están unidos a la enzima. la energía para realizar trabajo no está disponible para la enzima en el momento de la ruptura del compuesto de fosfato.

Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato.

Durante el ciclo catalítico hay una disminución considerable de la Keq para la hidrólisis del compuesto de fosfato unido a la enzima (residuo de acilfosfato) y el transporte a través de la

membrana se acopla con esta transición de la Keq y no con la ruptura del compuesto de fosfato.

Según estos nuevos resultados, la secuencia de eventos para la transducción de energía en

ATPasas de transporte o actomiosina son como sigue:

(a) La enzima une al ATP u otros compuestos de fosfato;

(b) La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Esto es acompañado por una disminución del nivel de energía del compuesto de fosfato;

(c) El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian de la enzima

en un proceso que implica un cambio de energía relativamente pequeño.

En el proceso inverso, los compuestos de fosfato tales como ATP, PPi y el residuo de

acilfosfato se sintetizan en el ambiente hidrofóbico del sitio catalítico de la enzima sin necesidad

de energía, es decir, la energía se necesita entonces para la conversión del compuesto de

fosfato de “baja energía” en un compuesto de "alta energía". Esta conversión estaría

acompañada por una transición hidrofóbica (Wa bajo) - hidrofílica (Wa alto) en el sitio catalítico

de la enzima. La síntesis de ATP y de PPi por la ATP sintasa mitocondrial, involucra un cambio

conformacional de la proteína que permite la disociación del ATP y de PPi en el medio hidrofílico

del ensayo. Para las ATPasas de transporte tales como la Ca

hidrofóbica-hidrofílica ocurre en el sitio catalítico. La información disponible actualmente sobre la

estructura de las ATPasas de transporte indica que el trabajo se realiza en una región de la

estructura terciaria de la proteína distante a aquella donde se localiza el sitio catalítico y que los

cambios conformacionales de la proteína sincronizan la secuencia de evento que ocurren en

estas dos regiones .

La propuesta de que la conversión del compuesto de fosfato de alta energía en el de baja, es promovida por un cambio del Wa en el sitio catalítico de las enzimas se ha verificado por medio de cuantificaciones de la actividad enzimática en medios con diversos Wa. Se ha demostrado que las enzimas que utilizan la energía de un gradiente químico para sintetizar el ATP a partir del ADP y del Pi pueden promover esta síntesis incluso en ausencia del gradiente, simplemente por el cambio en la actividad de agua del medio. Esto fue demostrado por primera

vez con la Ca

y un aumento considerable en la cantidad ATP unido fuertemente en el sitio catalítico de la F1-

ATPasa.

2+-ATPasa, la transición2+-ATPasa del retículo sarcoplasmico , la (Na+ + K+)-ATPas y la porción F1 soluble de la ATPasa mitocondrial . En este último caso, la adición de unsolvente orgánico promueve una disminución dramática de la Km aparente de la enzima por el Pi

En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis del ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado se utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta.

Las alteraciones de la termogénesis se observan en varios desórdenes, tales como el control del peso corporal y la disfunción endocrina, en el hipertiroidismo hay una disminución del peso corporal, y un aumento del metabolismo basal y de la tasa de producción de calor, al hormona tiroidea T3 (3,5,3'-tri-iodo-L-tironina) está implicada en la regulación térmica de vertebrados .

algunas enzimas pueden manejar la energía derivada de hidrólisis del ATP de tal manera que determinan cuánta energía se utiliza para el trabajo y cuánta se disipa como calor .

baja energía rotos durante catálisis.

Para la Ca2+-ATPasa se encontró que la cantidad de calor liberada durante la hidrólisis del ATP varía dependiendo de si el residuo de acilfosfato formado a partir del ATP es hidrolizado antes o después de su transformación de "alto" a "bajo" contenido de energía. El transporte de Ca2+ a través de la membrana ocurre durante esta conversión. Si la ruptura sucede cuando el acilfosfato tiene una alta energía de hidrólisis (ambiente hidrofílico en el sitio catalítico) entonces toda la energía derivada de la ruptura se convierte en calor y no se utiliza nada para el transporte de Ca2+. Inversamente, cuando el acilfosfato bajo en energía se rompe (ambiente hidrofóbico en el sitio catalítico) una buena parte de la energía se utiliza para el transporte de Ca2+ y poca energía queda disponible para ser convertida en calor. La regulación de la producción del calor depende por lo tanto del cociente entre los residuos del acilfosfato de alta y

Anteriormente se consideraba que  la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato se libera en el momento exacto de hidrólisis del enlace de fosfato y que la cantidad de energía liberada y la fracción de ella que se convierte en calor es siempre la misma sin importar si el compuesto se encuentra en solución o en la superficie de la enzima. En otras palabras las enzimas actuan como catalizadores, no teniendo ningún efecto en la energía de hidrólisis del substrato ni controlando la fracción de la energía total liberada que se convierte en calor.