Estequiometría de la Fosforilación Oxidativa
Por cada par de electrones que se originan en el NADH, se sinterizan 3 equivalentes de ATP, lo que requiere 22.4 kcal de energía. Así, con 31,2 kca de energía disponible, esta claro que el gradiente de protones generado por el transporte de electrones contiene la energía suficiente para la síntesis normal de ATP. Los electrones a partir del succinato tienen aproximadamente 2/3 de la energía de los electrones del NADH: ellos generan PMFs que son aproximadamente 2/3 de la fuerza que se genera con los electrones del NADH y llevan a la síntesis de solamente 2 moles de ATP por mol de succinato oxidado.
Regulación de la Fosforilación Oxidativa
Debido a que el transporte de electrones esta acoplado a la translocación de protones, el flujo de electrones a través del sistema de transporte de electrones se regula por la magnitud de la PMF. Mientras más alta es la fuerza, más baja la proporción de transporte de electrones, y viceversa. Bajo condiciones de reposo, con una carga alta de energía en las células, la demanda para síntesis nueva de ATP se limita y, aunque la PMF esta alta, el flujo de electrones hacia la matriz de la mitocondria a través de la ATP sintasa es mínima. Cuando las demandas de energía se incrementan, como durante la actividad muscular rigurosa, el ADP en el citosol se incrementa y es intercambiado con el ATP de la mitocondria por medio del transportador transmembrana nucleótido de anedina, la translocasa ADP/ATP. Las concentraciones altas de ADP hacen que la PMF sea descargada a tiempo de que los protones fluyen a través de la ATP sintasa, regenerando así la cantidad de ATP. Así, mientras la proporción del transporte de electrones depende de la PMF, la magnitud de la PMF en cualquier momento refleja la carga de energía de la célula. A su vez la carga de energía, o más precisamente la concentración de ADP, normalmente determina la proporción del transporte de electrones por principios de acción de masa. La proporción del transporte de electrones usualmente se mide al determinar la proporción de consumo de oxigeno y a esto se refiere como la tasa de respiración celular. La tasa de respiración se conoce como estado 4 cuando la carga de energía es alta, la concentración de ADP es baja, y el transporte de electrones esta limitado por el ADP. Cuando los niveles de ADP aumentan y el fósforo inorgánico esta disponible, el flujo de protones a través de la ATP sintasa es elevado y se observan proporciones altas en el transporte de electrones; la tasa respiratoria resultante se conoce con el nombre de estado 3. Así, bajo condiciones fisiológicas la actividad respiratoria mitocondrial esta en un ciclo entre los estados 3 y 4.
Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa
La vía del flujo de electrones a través del ensamblaje para el transporte de los mismos, y las propiedades únicas de la PMF, han sido determinadas por medio de el uso de varios antimetabolitos importantes. Algunos de estos agentes son inhibidores del transporte de electrones en sitios específicos en el ensamblaje de transporte de electrones, mientras otros estimulan el transporte al descargar el gradiente de protones. Por ejemplo, la antimicina A es un inhibidor específico del citocromo b. En presencia de antimicina A, el citocromo b puede ser reducido pero no oxidado. Como es de esperarse, en presencia de la antimicina A el citocromo c permanece oxidado, así como también los citocromos posteriores a y a3.
Una clase importante de antimetabolitos son los agentes desacopladores ejemplificados por el 2,4-dinitrofenol (DNP). Los agentes desacoplantes actúan como ácidos lipofílicos débiles, que se asocian con protones en el exterior de la mitocondria, que pasan a través de la membrana unidos a un protón, y que se disocian del protón en el interior de la mitocondria. Estos agentes causan tasas de respiración máxima pero el transporte de electrones no genera ATP, debido a que los protones translocados no regresan a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa.
Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa
| Nombre | Función | Sitio de Acción |
| Rotenona | inhibidor del transporte de e– | Complejo I |
| Amital | inhibidor del transporte de e– | Complejo I |
| Antimicina A | inhibidor del transporte de e– | Complejo III |
| Cianuro | inhibidor del transporte de e– | Complejo IV |
| Monóxido de Carbono | inhibidor del transporte de e– | Complejo IV |
| Azida | inhibidor del transporte de e– | Complejo IV |
| 2,4,-dinitrofenol | Agente desacoplante | Transportador transmembrana de H+ |
| Pentaclorofenol | Agente desacoplante | Transportador transmembrana de H+ |
| Oligomicina | Inhibe la sintasa de ATP | Fracción OSCP de la sintasa de ATP |
Energía a partir del NADH Citosólico
A diferencia de la oxidación del NADH de la mitocondria, cuando se oxida el NADH del citoplasma vía sistema transporte de electrones se obtienen 2 equivalentes de ATP si este es oxidados por el transportador glicerol fosfato (véase más arriba) y 3 ATPs si la oxidación procede por el transportador malato aspartato.
El malato-aspartato de transportador es el principal mecanismo para el movimiento de reducción de los equivalentes (en forma de NADH; puesto de relieve en los cuadros rojos) del citoplasma a la mitocondria. El glicolíticas vía es una fuente primaria de NADH. En el mitochodria de los electrones NADH puede ser acoplada a la producción de ATP durante el proceso de fosforilación oxidativa. Los electrones son "llevadas" a la mitocondria en forma de malato. Citoplasmáticas malato deshidrogenasa (MDH) reduce oxalacetato (OAA), mientras que a malato oxidantes NADH a NAD+. Malato entonces cuando entra en la mitocondria la reacción inversa es llevada a cabo por mitocondrial MDH. Movimiento de OAA mitocondrial al citoplasma de mantener este ciclo se le requiere transaminated a aspartato (Asp, D), con el grupo amino está donado por glutamato (Glu, E). El Asp luego sale de la mitocondria y entra en el citoplasma. El glutamato genera deamination de α-cetoglutarato (α-KG) que sale de la mitocondria para el citoplasma. Todos los participantes en el ciclo están presentes en el compartimento celular adecuado para el servicio a función dependiente de la concentración debido a la circulación. Cuando el nivel de energía de la célula se eleva la tasa de la oxidación mitocondrial de NADH a NAD+ disminuye y por lo tanto, frena la rueda. GAPDH es gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. AST es aspartato transaminasa. SLC25A11 es el transportador malato y SLC25A13 es la aspartato / transportador de glutamato.
El transportador glicerol fosfato esta acoplado a una desdhidrogenasa unida al FAD en la membrana mitocondrial interna con potencial bajo de energía como aquel que se encuentra en el complejo II. Así, el NADH del citoplasma que se oxida por esta vía puede generar solamente 2 equivalentes de ATP. El transportador involucra a dos glicerol-3-fosfato deshidrogenasas diferentes: una es citosólica, que actúa para producir glicerol-3-fosfato, y la otra es una proteína de membrana en la membrana mitocondrial interna que actúa para oxidar al glicero-3-fosfato producido por la enzima citosólica. El resultado neto del proceso es que equivalentes reductores del NADH citosólico son transferidos al sistema de transporte de electrones. El sitio activo de la glicerol fosfato deshidrogenada de la mitocondria se encuentra en la superficie externa de la membrana interna, lo que permite un acceso expedito al producto de la segunda, o glicerol-3-fosfato deshidrogenasa citosólica.
En algunos tejidos, como el del corazón o del músculo, la glicerol fosfato deshidrogenada de la mitocondria se encuentra en cantidades muy pequeñas, y el transportador malato aspartato es la vía dominante para la oxidación aerobia del NADH citosólico. Contrariamente al transportador glicerol fosfato, el transportador malato aspartato genera 3 equivalentes de ATP por cada NADH citosólico oxidado.
En acción, el NADH eficientemente reduce la oxaloacetato (OAA) a malato por la malato deshidrogenasa (MDH) del citoplasma. El malato es transportado al interior de la mitocondria por medio del antipuerto a-cetoglutarato/malato. Dentro de la mitocondria, el malato es oxidado por la MDH del ciclo del ATC, produciendo OAA y NADH. En este paso, los equivalentes reductores derivados del NADH se hacen disponibles para la NADH deshidrogenada de la membrana mitocondrial interna y son oxidados, produciendo 3 ATPs como se describió anteriormente. La transaminasa de la mitocondria utiliza glutamato para convertir el OAA que es impermeable a la membrana a aspartato y α-cetoglutarato. Esto da una reserva de α-cetoglutarato para el antipuerto mencionado anteriormente. El aspartato que también es producido es translocado a fuera de la mitocondria.
Generación de Especies Reactivas del Oxígeno, ROS
Los electrones mitocondrial sistema de transporte (cadena de transporte electrónico: ETC) de la fosforilación oxidativa es el sitio principal para la generación de celulares ROS. El ROS producidos por los procesos celulares son el anión superóxido (O2∙–), peróxido de hidrógeno (H2O2), y el hidroxilo de los radicales libres (∙OH). Cuando los electrones pasan a través de los complejos de la ETC algunos se filtran al oxígeno molecular (O2) que resulta en la formación de superóxido. Este superóxido rápidamente actúa sobre el cobre, zinc y superóxido dismutasa (SOD-CuZn, también identificado como SOD1) y superóxido mitocondrial dismutasa (Mn-SOD, también identificado como SOD2) para producir H2O2. SOD1 se encuentra en el espacio intermembrana mitocondrial y se encuentra SOD2 dentro de la matriz mitocondrial. Después de la generación de H2O 2 dentro de las mitocondrias que se difunde rápidamente en el citosol, donde se elimina por varias enzimas antioxidantes que incluyen glutatión peroxidasa (GPX1–GPx4), catalasa y peroxirredoxinas (Prx1 y PRX2). Utilizando ratones knock-out ha sido claramente demostrado que la Mn-SOD es esencial para el mantenimiento normal de las mitocondrias función en los tejidos altamente oxidantes como el cerebro y el corazón, así como la hígado. Dentro de la ETC en sí el sitio principal de la generación de ROS es la flavina mononucleótido (siglas en Inglés: FMN) del complejo I. generación de ROS también se produce en el plasma la membrana y el retículo endoplasmático (RE) membranas a través de la acción de NADP(H) oxidasas.
La producción mitocondrial y RE de ROS contribuye a los procesos de envejecimiento así como la progresión de numerosas enfermedades, tales como diabetes tipo 2 y el Parkinson la enfermedad. Componentes de la dieta puede conducir a un aumento de la producción de ROS que se evidente en obesidad y juega un papel importante que contribuye a la progresión de la resistencia a la insulina y la diabetes. El consumo de una dieta alta en grasas resultados en un exceso de NADH y FADH2, que luego aumenta el flujo a través de la ETC con un consiguiente aumento de la generación de ROS. De hecho, una dieta alta en grasas se sabe que aumentar la tasa de H2O2 de producción en el músculo esquelético mitocondrias. al final la tasa de aumento de la producción de ROS por los resultados en las mitocondrias la disfunción mitocondrial en el músculo esquelético.
ER producción de ROS es también uno de los principales estados de la enfermedad, tales como diabetes. Dentro de la sala de emergencias, las proteínas sufren plegado en sus funcionales conformaciones, ya que el tránsito por el aparato de Golgi y, finalmente, al plasma membrana o vesículas secretoras. Plegamiento correcto requiere intra-e inter-cadena formación de enlaces disulfuro que implica la oxidación de los residuos de cisteína y la liberación de electrones. Los electrones se pasan a la proteína disulfuro isomerasa luego a RE oxidoreductin y finalmente a O2 generar anión superóxido. Se sugiere que el exceso de nutrientes se ve en la obesidad y la diabetes pueden jugar un papel en la sobrecarga de la capacidad de la proteína RE plegables que resulta en aumento de ROS de producción. Un aumento en los resultados de RE producción de ROS en el estrés RE y el la inducción de la respuesta al estrés RE vías que a su vez activan pro-inflamatorias vías. De importancia para la diabetes es que RE inducida por el estrés inflamación activa la JNK quinasa (Jun N-terminal quinasa) y IKKβ (inhibidor del factor nuclear kappa-B subunidad beta quinasa) que fosforilan sustratos del receptor de insulina (por ejemplo, IRS1 y IRS2) dando lugar a alteración de la insulina señalización. Factor nuclear kappa B (NFκB) es uno de los factores de transcripción más importante regulación de la expresión de genes proinflamatorios.
Disfunción Mitocondrial en la Diabetes tipo 2 y la Obesidad
Datos bien establecidos demuestran que las mitocondrias disfunción, en particular en lo que respecta a los procesos de oxidación fosforilación (fosforilación oxidativa), se contribuye al desarrollo de encefalopatía, miopatía mitocondrial, y varios trastornos relacionados con la edad que incluyen enfermedades neurodegenerativas, el síndrome metabólico, y la diabetes. De hecho, con respecto a la diabetes, algunas enfermedades mitocondriales se manifiestan con complicaciones diabéticas, como la miopatía mitocondrial, encefalopatía, acidosis láctica y accidentes cerebrovasculares-como episodios (siglas en Inglés: MELAS) y la diabetes de herencia materna y sordera (siglas en Inglés: MIDD).
Biogénesis de las mitocondrias normales se activa en respuesta a cambios en el ATP / ADP ratio y la activación de la AMPK, que a su vez resulta en un aumento de expresión de PPARγ co-activador 1α (PGC-1α) y la energía nuclear factor-1 respiratorio (siglas en Inglés: NRF1). PGC-1α es un maestro de la transcripción co-activador de numerosos genes involucrados en biogénesis mitocondrial. NRF1 es un factor de transcripción que regula la la expresión del factor de transcripción mitocondrial A (TFAM, por en Inglés transcription factor A,mitochondrial, también designado mtTFA) que es una réplica del factor de transcripción nuclear esenciales, el mantenimiento y la transcripción del ADN mitocondrial. NRF1 también controla la expresión de genes nucleares necesarios para la respiración mitocondrial y heme biosíntesis. La evidencia ha demostrado que los niveles de expresión de PGC-1α tanto y NRF1 son más bajos en los pacientes diabéticos y no diabéticos de familias con diabetes tipo 2. La expresión de NRF1 es mayor en el músculo esquelético que se También el tejido que representa el mayor porcentaje de utilización de glucosa en el cuerpo y, por tanto, es el tejido que es más responsable de la hiperglucemia como resultado de la señalización de insulina deteriorada.
Resultados de disfunción mitocondrial en el aumento de la producción de ROS, que activa las respuestas de estrés que conduce a una mayor actividad de MAPK y JNK. ambos de estas quinasas serina / treonina fosforilar IRS1 y IRS2 resultando en una disminución señalización corriente abajo del receptor de insulina. Inhibida IRS1 y IRS2 resultados de la actividad en disminución de la activación de la PI3K. La activación de PI3K está involucrada en la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática que resulta en aumento de la glucosa absorción. Por lo tanto, la inhibición de la PI3K (siglas en Inglés) en la captación de glucosa reduce en músculo esquelético y tejido adiposo. Resultados de disfunción mitocondrial en un reducción en el nivel de las enzimas implicadas en β-oxidación que lleva a incrementos en el contenido de lípidos intramiocelulares. De hecho, el metabolismo del músculo esquelético de los lípidos se ha Se ha demostrado que se altera en pacientes diabéticos tipo 2. Una ejecución más eficiente de los ácidos grasos Los ácidos en el músculo esquelético, así como disminución de la oxidación mitocondrial de los resultados, en el aumento del contenido intracelular de metabolitos de ácidos grasos como diacilglicerol (siglas en Inglés: DAG), grasos acil-CoA, y ceramidas. Estos metabolitos de ácidos grasos Los ácidos son todos conocidos por inducir la actividad de las isoformas de la proteína quinasa C (PKCβ y PKCδ) que fosforilan IRS1 y IRS2 en residuos de serina que resulta en un deterioro señalización de la insulina corriente abajo del receptor de la insulina.
Debido a que el músculo esquelético consume la mayor cantidad de glucosa en suero, la disfunción mitocondrial en este tejido tiene el mayor impacto en de glucosa en la eliminación. Sin embargo, el tejido adiposo también juega un papel importante en homeostasis de la glucosa y la disfunción mitocondrial en el tejido se ha demostrado el resultado en la homeostasis de la glucosa dando lugar a la diabetes. Por ejemplo, cuando los animales son tratados con inhibidores de la oxidación mitocondrial la insulina estimula la captación de glucosa en el tejido adiposo es significativamente afectada. El tejido adiposo segrega una serie de proteínas clasificadas como adipocinas. La adiponectina es una adipocina que promueve la sensibilidad a la insulina en responden a la insulina tejidos como el músculo esquelético. Cuando los niveles plasmáticos de adiponectina se miden en obesos o diabéticos de tipo 2 que se encuentra para ser significativamente menor que en la edad y el sexo los sujetos de control que son de peso normal o que no tienen diabetes. En estudios con animales, la mejora de los adipocitos resultados biogénesis mitocondrial en la liberación de adiponectina aumentaron a partir de tejido adiposo. Por el contrario, la expresión de la expresión de adiponectina se disminución en los adipocitos con la disfunción mitocondrial.
Teniendo en cuenta que la función mitocondrial deteriorada está claramente asociado con la obesidad y la diabetes tipo 2, no es de extrañar que hay un gran interés en el uso de la farmacología para aumentar la función mitocondrial en el tratamiento de estos trastornos. De importancia es el hecho de que las tiazolidindionas (TZD) clase de medicamentos utilizados para tratar la hiperglucemia de la diabetes tipo 2 (ver la siguiente sección) activar PPARγ que a su vez aumenta el nivel de actividad de PGC-1α. A pesar de las TZD se comercializó por primera vez debido a su capacidad para mejorar la insulina la sensibilidad, desde entonces han demostrado que aumenta tanto las funciones mitocondriales in vitro y in vivo. Los antioxidantes también han demostrado mejorar la función mitocondrial mediante la reducción de la producción de ROS. El Resveratrol (que se encuentra en pieles de la uva y el vino tinto) es un potente antioxidante cuya actividad es, en parte, debido a su capacidad para activar el SIRT1 deacetilasa (ver más abajo). activado SIRT1 deacetylates PGC-1α resulta en aumento de la actividad transcripcional y por lo tanto, la biogénesis mitocondrial mejorada.
Tejido Adiposo pardo y Generación de Calor
El flujo de protones no acoplados liberan la energía del gradiente electroquímico de protones en forma de calor. Este proceso es una función fisiológica normal del tejido adiposo pardo. El tejido adiposo pardo tiene ese color debido a la gran densidad de mitocondrias en las células adiposas individuales. Los bebes recién nacidos tienen tejido pardo en el cuello y en la parte superior de la espalda que tienen la función de generar calor sin temblor. Las contracciones musculares que ocurren durante el proceso de temblar no solamente generan ATP sino también producen calor. El proceso de termogénesis en la grasa parda se inicia por la liberación de ácidos grasos a partir de las reservas de triglicéridos en las células adiposas. La liberación hormonal de ácidos grasos en la grasa parda es la misma que se describe para la movilización de la grasa almacenada en la página deOxidación de Ácidos Grasos. Las mitocondrias en la grasa parda contiene una proteína llamada proteína desacoplante 1, UCP1 (también llamado thermogenein). UCP1 actúa como un canal en la membrana mitocondrial interna para controlar la permeabilidad de la membrana a los protones. Cuando la noradrenalina se libera en respuesta a la sensación de frío que se une a la β-adrenérgicos en la superficie de adipocitos marrones desencadenar la activación de la adenilato ciclasa. La adenilciclasa activada lleva a la producción incrementada de cAMP y a la activación concomitante de la proteína cinasa de pendiente de cAMP (PKA) siendo el resultado la fosforilación y activación de la lipasa sensible a hormonas. Los ácidos grasos liberados se unen a la termogenina iniciando un desacoplamiento del gradiente de protones y la liberación de la energía del gradiente en forma de calor. En la figura "+ve" se refiere a un efecto positivo.
Generación hormonal de calor en el tejido adiposo marrón
Otras Oxidaciones Biológicas
Complejos oxidasa, como la citocromo oxidasa, transfieren electrones directamente desde el NADH y otros sustratos al oxigeno, produciendo agua. Oxigenasas, que están ampliamente distribuidas en las membranas del retículo endoplasmático, catalizan la adición de oxigeno molecular a moléculas orgánicas. Existen 2 tipos de complejos de oxigenasa, monooxigenasas y dioxigenasas. Las dioxigenasas añaden 2 átomos de oxigeno molecular (O2) al carbono y nitrógeno de compuestos orgánicos. Los complejos de monooxigenasas tienen un papel clave en la detoxificación de fármacos y otros compuestos (e.g. PCB y dioxina) y en el metabolismo normal de esteroides, ácidos grasos y vitaminas solubles en lípidos. Las monooxigenasas actúan por la transferencia secuencial de 2 electrones desde el NADH o NADPH a 1 o 2 átomos de oxigeno en O2, generando H2O a partir de un átomo de oxigeno e incorporando el otro átomo de oxigeno en un compuesto orgánico como un grupo hidroxilo (R-OH). Los productos hidroxilados son marcadamente más solubles en agua que sus precursores y son más fácilmente excretados del cuerpo. Sinónimos que se utilizan ampliamente para las monooxigenasas son: oxidasas de función mixta, hidroxilasas, y hidroxilasas de función mixta.
Los componentes principales de los complejos de monooxigenasa incluyen al citocromo b5, citocromo P450, y citocromoP450 reductasa, que contiene FAD y FMN. Existen muchas isozimas P450; por ejemplo, hasta 50 diferentes productos de genes P450, se pueden encontrar en el hígado, en donde la mayor parte del metabolismo de los fármacos se lleva a cabo. Algunos de estos mismos productos de genes también se encuentran en otros tejidos, en donde son responsables de actividades de oxigenasa específica de esos tejidos. Equivalentes reductores P450 provienen del NADH vía citocromo b5 o a partir del NADPH vía la citocromo P450 reductasa, las cuales están asociadas con el citocromo P450 en los complejos localizados en las membranas.
Las reacciones enzimáticas que incluyen oxigeno molecular usualmente producen agua u oxigeno orgánico en reacciones muy bien reguladas que tienen productos específicos. Sin embargo, bajo algunas condiciones metabólicas (e.g. reperfusión de tejidos aeróbicos) los electrones no pareados ganan acceso al oxigeno molecular en reacciones no regulares sin actividad enzimática. Los productos, denominados radicales libres, son muy tóxicos. Estos radicales libres, especialmente el radical hidroxilo, ataca en forma aleatoria a componentes celulares, incluyendo proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, potencialmente causando extenso daño celular. Los tejidos están repletos con enzimas para proteger en contra de estas reacciones químicas aleatorias que estos radicales libres producen. Se ha identificado enzimas que captan estos radicales libres.
Las superoxidodismutasas (SODs) en animales contienen zinc (Zn2+) y cobre (Cu2+), y se llaman CuZnSOD, o manganeso (Mn2+) como es el caso de la forma mitocondrial. Estas SODs convierten el súper oxido en peroxido y por tanto minimizan la producción del radical hidroxilo, el más potente de los radicales libres de oxigeno. Los peróxidos producidos por la SOD también son tóxicos. Estos son detoxificados por su conversión a agua por la enzima peroxidasa. La peroxidasa de mamíferos mejor conocida es la peroxidasa de glutatión, que contiene el aminoácido modificado selenocisteina en su sitio activo.
El glutatión (vea la Pagina de la Pentosa Fosfato) es importante para mantener el potencial reductor normal de las células y provee los equivalentes reductores para la peroxidasa de glutatión para convertir el peroxido de hidrogeno en agua. En los glóbulos rojos la ausencia de glutatión lleva a un ataque extenso del peroxido a la membrana plasmática, produciendo glóbulos rojos frágiles que fácilmente sufren hemólisis.
La catalasa (localizada en los peroxisomas) provee una vía reductora para la degradación del peroxido de hidrogeno. La catalasa de los mamíferos tiene la renovación más alta de cualquier enzima descrita.
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