LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA

Flores Herrera O, Riveros Rosas H, Sosa Peinado A, Vázquez Contreras E.

 Depto Bioquímica, Fac Medicina, UNAM. Cd Universitaria, México.
     (  2004)

El concepto inicial: La historia del ATP se remonta a los años 20´s cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (Pi) en los tejidos animales. Pero fue hasta 1941 que los conceptos de compuestos de fosfato. “ricos" y “pobres.” en energía fue formalmente presentado por Lipmann en una revisión en la cual analizaba sus datos y los obtenidos en otros laboratorios. En base al conocimiento disponible en aquella época, Lipmann propuso lo siguiente:

·         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.

·         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.

·         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.

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. Por ello se pensaba que la secuencia de eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los siguientes pasos:

·         La enzima une al ATP;

·         El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento exacto de la ruptura del enlace de fosfato.

·         La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar trabajo.

·         Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.

Nuevos conceptos- aproximación teórica: En 1970 y George colaboradores, concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. Por lo tanto 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 electrostática, y además, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando de esta forma 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 y no por efectos intermoleculares como se había propuesto previamente. Mientras más solventada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solventada 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 solventados que los reactivos.

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.

Cuantificaciones experimentales: Para probar experimentalmente la teoría de solvatación, medimos en nuestro laboratorio la energía de hidrólisis del PPi en medios con diversas actividades de agua. La estrategia adoptada fue medir la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. De acuerdo con la propuesta de la teoría de solvatación, encontramos que un cambio discreto de la actividad de agua es suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis del PPi.

Un año más tarde Wolfenden y Williams encontraron que el ATP se podría sintetizar espontáneamente en cloroformo hidratado y recientemente Kirby 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. Más que contribuir a la comprensión de la naturaleza química de los compuestos de fosfato de alta y baja energía, estos resultados tienen implicaciones fisiológicas importantes en procesos biológicos de la transducción de energía.

PPi de alta y baja energía: 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 antes mencionada.

El ciclo de transducción de energía medido con los cromatóforos se puede reproducir por un pirofosfatasa soluble, sin la necesidad de la membrana, de la clorofila o de la luz. La enzima soluble puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad de agua del medio es reducida por la adición de solventes orgánicos.

Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las enzimas: Durante las últimas cuatro décadas se ha aclarado el ciclo catalítico de varias enzimas implicadas en procesos de transducción de energía. Estos 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. 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, y para la ATPasa de la actomiosina, la energía está disponible cuando el ADP y (o) el Pi se disocian de la enzima y no cuando se hidroliza el ATP.

Transducción energética y producción de calor en las ATPasas de transporte: 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.

Mitochondrial function as a determinant of life span

Autor: Ian R. Lanza & K. Sreekumaran Nair

This article is published with open access at Springerlink.com 

11 septiembre 2009

En la actualidad el proceso del envejecimiento todavía sigue siendo un tema desconcertante para nosotros los biólogos,  ya que abarca muchos procesos biológicos y en donde influye considerablemente los hábitos de las persona. Y a su vez es difícil darle una definición, pero si nos basándonos en el nivel de reproducción sexual y la supervivencia de los linajes de una determinada especie, podríamos decir que el envejecimiento es un proceso esencial en donde es necesario sacrificar aquellos organismos que no son capaces de reproducirse y que consume los recursos de otros que están disponibles para la reproducción de la progenie.

En contradicción con la opinión anterior, las mujeres tienen una vida más larga que los hombres a pesar de un cese definitivo de la capacidad reproductiva de aproximadamente 50 años de edad. En contraste, los hombres viven vidas más cortas, aunque su edad reproductiva dura más que la de las mujeres.

La idea caprichosa de engañar al proceso de envejecimiento ha dado lugar a una enorme cantidad de investigaciones destinadas a comprender los mecanismos del envejecimiento celular. Una de las principales hipótesis del envejecimiento se basa en la teoría de los radicales libres del envejecimiento de Harman.

Harman sostuvo que los radicales libres de oxígeno (especies reactivas del oxígeno) producidos durante la respiración celular normal causarían un daño acumulativo a las moléculas que finalmente conduciría a la pérdida de la funcionalidad de los organismos y en última instancia, la muerte. Puesto que los radicales libres o especies reactivas del oxígeno se producen en la mitocondria durante el transporte de electrones, es por ello que se ha puesto una atención considerable en el funcionamiento de las mitocondrias y su relación con el envejecimiento.

Se conocen aproximadamente 1000 proteínas mitocondriales, sólo 13 son codificadas por el genoma mitocondrial, mientras que el resto se transcriben y se traducen en el genoma nuclear y son transportados en la membrana mitocondrial interna. Con el tiempo, la célula ha llegado a depender de las mitocondrias para mantener la Homeostasis energética. De hecho, estos orgánulos son una fuente importante de energía química en forma de trifosfato de adenosina (ATP), el cual es requerido para alimentar a muchos procesos termodinámicamente desfavorables dentro de las células (por ejemplo, el transporte de iones en contra de gradientes electroquímicos, la síntesis de proteínas, y la contractilidad). El proceso de fosforilación oxidativa mitocondrial es responsable de la la transformación de macronutrientes energéticos a ATP a través de un conjunto de reacciones en donde los macronutrientes se oxidan, el oxígeno es reducido a agua, y el difosfato de adenosina (ADP) se fosforila a ATP, La oxidación de estos sustratos genera equivalentes de reducción en forma de NADH y FADH2, que proporcionan un flujo de electrones.

Como ya se menciono el papel de la mitocondria en el proceso de envejecimiento ha sido un tema de gran interés durante muchos años. En los seres humanos, los estudios se han centrado en gran medida en el músculo esquelético, ya que es un tejido postmitotico,  (tejido maduro que ya no es capaz de experimentar la mitosis)y las muestras del tejido son relativamente fáciles de adquirir, además es un factor determinante de la función física, ya que disminuye drásticamente con el envejecimiento del músculo esquelético es también un tejido metabólicamente muy activo , lo que representa aproximadamente el 65% de la eliminación de la glucosa después de una comida y vital para la utilización de glucosa periférica.

Numerosos estudios in-vitro también demuestran que la capacidad oxidativa se reduce en los adultos mayores, aunque varios otros encuentran que la capacidad oxidativa es similar en adultos jóvenes y mayores con similares niveles de actividad física y con ello el envejecimiento afecta a la expresión de genes de codificación mitocondrial de proteínas, evidenciada por disminución de los niveles de transcripción del ARN mensajero (ARNm) posiblemente debido a reduce la transcripción de genes o la inestabilidad del ARNm con el envejecimiento. Cierto número de copias de ADN mitocondrial disminuye con la edad, lo que podría explicar la reducción de las transcripciones del gen mitocondrial y por lo tanto, las proteínas codificadas por estos genes. Recientemente, se ha utilizado la espectrometría de masas para identificar y cuantificar la expresión de numerosas proteínas del músculo esquelético que participan en el metabolismo de combustible. Hemos encontrado que con el envejecimiento disminuyó significativamente la expresión de numerosas proteínas nucleares y mitocondriales codificados que intervienen en la función mitocondrial.

De hecho recientemente nos enteramos que la proteolisis (degradación de proteínas) de todo el cuerpo disminuye con la edad y  los ácidos nucleicos también demuestran un aumento de los niveles de daño oxidativo con la edad.

Obesity, longevity, quality of life

Landes Bioscience, Robert E.
VA Medical Center; Minneapolis, MN USA

Diciembre 2010

Para poder entender como se llevan acabo el proceso metabólico, primero es necesario identificar y comprender las funciones de las proteínas y enzimas que participan en dichos procesos y en la retención de estas actividades depende de la presencia de un reactivo sulfhidrilo fuerte, como puede ser el 2-mercaptoetanol (2-ME) o el ditiotreitol.

Debido a la presencia de estos reactivos que son de gran importancia para un adecuado funcionamiento, se decidió llevar acabo investigaciones para determinar el efecto que podrían tener las moléculas en presencia del sulfhídrilo, en cuanto a la reactividad inmunológica de células de tejido en cultivo.

Durante la investigación se estableció que el compuesto sulfhidrilo más eficaz para in-vitro es el 2-ME ya que en investigaciones anteriores demostraron que la optimización de la reactividad inmunológica en murinos debido donde  el 2-ME brindaba beneficios "sociales tanto para el crecimiento así como un adecuado funcionamiento de otro tipos de células in-Vitro.

Pero también con base a investigaciones previas se sabia que en algunas cepas de ratones a las cuales se les administraron por vía oral el 2-ME, se logro impedir y / o revertir algunos cambios fisiológicos asociados al envejecimiento.

De este modo los investigadores se plantearon la siguiente pregunta: ¿Qué consecuencias, además de la toxicidad, el 2-Me podría provocar si se administra como suplemento dietético? Pero en  lugar de los atributos previstos tóxicos, se encontraron los siguientes beneficios:

•    Aumentó modestamente el tiempo de vida de algunas cepas de ratones.
•   pérdida tardía de las funciones inmunes con la edad.
•    revirtió la pérdida de la capacidad de respuesta de anticuerpos en ratones viejos.
• retraso la aparición espontánea de tumores y daños en la peroxidación de lípidos
• suprimió una menor liberación de dopamina
• Impidió la formación de  malondialdehído, este  químico está implicado en el irreversible entrecruzamiento de las proteínas  y el ADN.

Debido a que  estos hallazgos se realizaron con diferentes cepas de ratones,  modos de aplicación (la inyección, mezclado con el alimento o el agua),  diferentes dosis (rango 0,1 a 15 UGM / g de peso corporal), diferentes edades en las que el tratamiento se inició, y diferentes dietas, en donde todos los experimentos llevados a cabo se realizaron para probar diferentes beneficios del 2-ME, y  la única investigación del efecto del  2-Me sobre longevidad encontró que aquellos ratones que fueron alimentados con el alto contenido en grasas - la dieta Wayne- aumento su nivel de vida ya que esta se extendía de 802 días para 904 días (12,7%) mediante la mezcla de 2-ME con el alimento en un concentración de 0.25%.

•  Curiosamente, los ratones tratados con dietas altas en grasa, no sólo ganaron masa corporal, sino que también la perdieron con el tiempo, mucho más rápido que aquellos ratones con una dieta baja en grasa.
• La mayoría de los animales no tratados con 2-ME murieron en decúbito, demacrado y caquéctico en pesos mucho menor.
• Por el contrario los animales tratados con dietas altas en grasa perdieron menos peso con la edad, mientras que los de las dietas bajas en grasa tuvieron un ligero aumento de peso hasta su muerte, es decir, los animales tratados no murieron en decúbito, demacrado y / o caquexia, de hecho, tenían una apariencia mas vigorosa.