Estabilidad del apatito dental
El apatito dental es una forma compleja de fosfato cálcico con estructura cristalina. Existen varias formas: hidroxiapatito, fluorhapatito…
Su estructura forma una celdilla que apilada forma un prisma. El conjunto del prisma formará un cristal macroscópico. Los iones ocupan posiciones fijas y entre ellos forman asociaciones. Los Ca2+ de las columnas están separados entre sí mientras que el Ca2+ del triángulo está más junto a lo largo del eje. Los iones del centro del triángulo (OH / F) se pueden intercambiar porque están en un medio acuoso (saliva) en el que hay iones en disolución. Si aumentan los iones en disolución precipitan y si estos disminuyen se disuelven.
El P3- y OH están siempre en equilibrio con respecto a la disolución. Los iones están en equilibrio con respecto a la disolución y cuando vuelve a formarse el cristal es el momento en el que se pueden intercambiar los iones del centro del triángulo (intercambio heteroiónico). Debemos tener en cuenta también las propiedades dinámicas del apatito dental:
- Solubilidad: en medio ácido participa en una reacción de neutralización que solubiliza el mineral, mientras que en medio alcalino desplaza la reacción en sentido contrario, depositándose mineral amorfo por precipitación.
Transportadores de electrones
Proteínas de membrana que contienen grupos prostéticos capaces de aceptar y donar 1 ó 2 electrones. Ejemplo: Flavoproteínas: Contienen FAD o FMN como grupo prostético. Estos cofactores son nucleótidos de flavina que están unidos a la proteína. La parte activa para el transporte de electrones es el anillo de flavina, que puede estar en forma oxidada o reducida, la diferencia entre estas formas es que en la forma reducida se han aceptado 2e- que han venido a parar al anillo de flavina. La forma reducida tiene la capacidad de perder estos electrones y pasar nuevamente a la forma oxidada. Estos electrones son aceptados de forma gradual, el primer electrón da lugar al intermediario semiquinona y el segundo da lugar finalmente a la forma reducida. Proteínas ferro-sulfuradas: Contienen centros Fe-S como grupos prostéticos, son átomos de naturaleza inorgánica, los átomos de hierro van a coordinarse con los grupos S-H de los aminoácidos cisteína que forman parte de la propia proteína, que les permite alojarse en el interior de la proteína y constituir el grupo prostético. Transfieren 1 electrón (cambios del estado redox del átomo de hierro: Fe3+/Fe2+) La capacidad de transferencia de electrones (potencial) varía con la geometría y el entorno proteico. Ubiquinona o Coenzima Q: Benzoquinona liposoluble. Es una molécula pequeña que va a tener cierta movilidad dentro de la membrana interna mitocondrial que le permite interaccionar con los diferentes complejos de la cadena de electrones. También acepta 2e- y pasa de la forma oxidada a la forma reducida. A la forma oxidada se le llama ubiquinona y a la reducida ubiquinol. Citocromos: Son proteínas que llevan como grupo prostético el anillo de porfirina (grupo hemo). El átomo de hierro del grupo hemo va a permitir que los citocromos sean capaces de transmitir los electrones, se transmite gracias al cambio de número de oxidación del hierro presente en este grupo. Se transporta un electrón en cada átomo de hierro. Diferentes tipos que varían según cuáles sean los sustituyentes del anillo. En la cadena respiratoria participan diferentes citocromos a, b y c.
Regulación de la degradación del glucógeno
Interviene la enzima glucógeno fosforilasa (fosforilasa), que es el enzima clave en la degradación del glucógeno. Intervienen hormonas como el glucagón que actuará a nivel del hígado o la adrenalina a nivel muscular.
- Músculo en reposo: La glucógeno fosforilasa está en la forma b y en estado T (el estado menos activo de todos los posibles). No hay degradación de glucógeno.
- Músculo en actividad: Al aumentar la actividad en el músculo, va a disminuir el ATP, aumentará la concentración de AMP por lo que ocurrirá activación fosforilasa b (el AMP actúa como regulador alostérico positivo de la fosforilasa b), la pasa de un estado menos activo a uno más activo del estado T al R. El ATP actúa como regulador alostérico negativo de la fosforilasa b. La liberación de la adrenalina va a provocar la activación de la enzima fosforilasa quinasa (modificación covalente) que va a pasar a la fosforilasa de la forma b a la forma a que es la más activa, que va a estimular mucho más la degradación de glucógeno de ese tejido muscular que está en estado de actividad. Cuando se produce la actividad muscular hay liberación Ca2+ en las células musculares. Este calcio va a actuar como regulador alostérico positivo en la activación de la enzima fosforilasa quinasa generando más cantidad de fosforilasa a que es la forma más activa. Hígado: En el hígado está presente la fosforilasa hepática, que está en estado a (activo). Cuando la fosforilasa hepática a está en actividad, la glucosa va a actuar como regulador alostérico negativo de esta enzima. Pasa esta fosforilasa a del estado R (activo) al T (menos activo).
Regulación de la síntesis del glucógeno
La glucógeno sintasa va a ser la enzima clave en este proceso, se va a encontrar en la forma a (más activa) y la forma b (menos activa). El cambio de la forma a→b ocurre por fosforilación. La glucógeno sintasa a que es la más activa no va a estar fosforilada, mientras que la b que es menos activa, estará fosforilada. La glucógeno sintasa se fosforila por un tipo de proteína quinasa. Por otra parte, la enzima fosfatasa va a desfosforilar a la glucógeno sintasa llevándola de la forma b a la forma a. La adrenalina es la señal hormonal que va a disminuir la síntesis de glucógeno y activa la degradación.
La insulina estimula la síntesis de glucógeno y bloquea su degradación. Se libera cuando la glucemia es alta, lo que dispara la liberación de la insulina por parte de las células α del páncreas. La insulina interactúa con el receptor situado en la membrana que tiene actividad tirosina quinasa y esto desencadena una serie de eventos, que provoca a su vez una serie de fosforilaciones. Estas fosforilaciones activan unas proteínas quinasas que son sensibles a la acción de la insulina. Las proteínas quinasas sensibles a la insulina van a fosforilar a la proteína fosfatasa-1, enzima que cuando es fosforilada pasa a su forma activa. Estas proteínas fosfatasas-1 que han sido activadas van a desfosforilar distintos enzimas como por ejemplo a la enzima glucógeno sintasa, que va a aumentar su actividad, pasando la glucógeno sintasa a su forma a (activa).
β-Oxidación de ácidos grasos
Está constituida por una serie de 4 reacciones enzimáticas, que van actuando cíclicamente hasta conseguir la oxidación de todos los carbonos del acil-CoA para que se conviertan en moléculas de acetil-CoA. Estas oxidaciones ocurren en el carbono β de los ácidos grasos. En esta secuencia de reacciones se van a liberar moléculas de acetil-CoA (2 Carbonos) a partir de la molécula de Acil-CoA.
- 1ra reacción: Va a intervenir una enzima Acil-CoA deshidrogenasa que va a oxidar la molécula de acil-CoA, esta oxidación consta en la formación de un doble enlace, se libera poder reductor en forma de FADH2.
- 2da reacción: Consiste en una hidratación del doble enlace que se acaba de formar, se incorpora una molécula de agua, por lo que aparece un grupo hidroxilo (OH-) en uno de los átomos de carbono que se había producido el doble enlace. Esta reacción es catalizada por la enzima Enoil-CoA-hidratasa.
- 3ra reacción: Se produce una nueva oxidación por la enzima L-3-hidroxiacil-CoA-Deshidrogenasa, que va a oxidar este carbono que tenía un grupo hidroxilo y ahora tiene un grupo carbonilo, se genera poder reductor en forma de NADH.
- 4ta reacción: Se produce una escisión de la molécula de acil-CoA, se rompe el enlace entre dos átomos de carbono por la enzima β-cetotiolasa (tiolasa). Al mismo tiempo que se produce la ruptura, esta enzima va a unir al nuevo grupo carboxilo que se genera una molécula de CoA, obteniéndose Acetil-CoA y Acil-Coa que va a tener 2 átomos de carbono menos. Estas cuatro reacciones van a ocurrir cíclicamente, la molécula de Acil-Coa va a pasar por el ciclo todas las veces que sean necesarias de manera tal que al final queden 2 moléculas de Acetil-CoA.
Ciclo de la urea
Este ciclo comienza con una reacción previa, la cual se considera parte del ciclo y tiene lugar en la mitocondria del hepatocito. Esta reacción previa va a ser catalizada por la enzima carbamil-fosfato-sintetasa-1 (CPS-1), que va a unir el amonio con bicarbonato. En esta reacción se consumen 2 ATP y se obtendrá carbamilfosfato. Este carbamilfosfato se va a condensar con la molécula de ornitina, en esta reacción interviene la ornitina trans-carbamilasa y se va a formar citrulina. Una vez formada la citrulina, sale de la mitocondria a través de un transportador. Una vez en el citosol, la citrulina se va a combinar con aspartato para formar arginino succinato, en esta reacción interviene la enzima arginino succinato sintetasa. El arginino succinato va a ser hidrolizado por la enzima arginino-succinasa (arginino succinato liasa) y de esta hidrólisis se va a formar arginina y fumarato. El fumarato es un intermediario del ciclo de Krebs, la arginina va a ser hidrolizada por la arginasa y va a dar lugar a la ornitina (intermediario de este ciclo) y urea. Cada molécula de urea va a permitir la excreción de dos nitrógenos provenientes de aminoácidos.
Regulación del ciclo de la urea
El punto clave en este ciclo es el enzima carbamil-fosfato-sintetasa-1 (CPS-1) que va a determinar la velocidad de síntesis de la urea. Este enzima es alostérico y es activado positivamente por el N-acetil-glutamato que se forma en la célula a partir de Acetil-CoA y Glutamato. El N-acetil-glutamato se forma al aumentar la concentración de glutamina. También puede ser regulada a largo plazo por cambios en la síntesis de los enzimas del ciclo, al aumentar o disminuir la síntesis de estos enzimas. Una de las señales que controla esta reacción es la cantidad de proteínas que ingerimos en la dieta. En dietas hiperprotéicas se van a eliminar mayor cantidad de aminoácidos por lo que se incrementará la síntesis de los enzimas que intervienen en este ciclo para lograr una mayor velocidad en la eliminación de urea. En el caso contrario, de una dieta hipoproteica, se baja la síntesis de los enzimas de la urea para adaptar la eliminación de la urea al ritmo que se está generando el nitrógeno que va a ser excretado.
Proteína G
Proteína transductora localizada en la membrana que fija nucleótidos de guanina (GDP). Heterodímero con subunidades α, β y γ, la subunidad α va a alojar el nucleótido de guanina y va a tener además una actividad enzimática nucleotidasa, que tiene la capacidad de hidrolizar nucleótidos. Existen distintos tipos de proteínas G, que se diferencian en la subunidad α, que va a permitir diferentes tipos de señalización. La subunidad γ va a estar fuertemente anclada a la membrana.
Cuando la hormona interacciona con el receptor y forma el correspondiente complejo, el receptor se une a la proteína G que está en la membrana y va a activar a ésta. La proteína G va a sufrir cambios en la conformación de sus unidades. La subunidad α va a abrir el sitio de unión de GDP y el GDP va a ser sustituido por GTP. Dado este cambio, la subunidad α va a perder la afinidad que tenía con la subunidad β y se separará de ésta. La subunidad α va a adquirir cierta movilidad en el interior de la membrana y va a interaccionar con el adenilato ciclasa, que va a provocar la activación de esta enzima. La adenilato ciclasa cataliza la síntesis del AMPc (uno de los segundos mensajeros), con la molécula de AMPc se forma además una molécula de pirofosfato. A la par que aumenta la concentración de AMPc a nivel celular, se va a hidrolizar el GTP que estaba unido a la subunidad α de la proteína G, pasado cierto tiempo va a pasar a GDP, lo que va a hacer que la subunidad α pierda la afinidad por el adenilato ciclasa y se vuelva a unir a la subunidad β y γ. Volviendo la proteína G a su estado inicial. La unión de la hormona al receptor aumenta la síntesis de cAMP en la célula.
El cAMP tiene efectos mediados por la activación de la Proteína quinasa A (PKA) que se encarga de la fosforilación de residuos de serina y treonina de proteínas diana. El AMPc se va a unir a los centros reguladores (alostéricos) de la PKA, que van a inducir cambios en las cadenas reguladoras, pasando la PKA a un estado activo. Las PKA van a fosforilar residuos de serina y treonina. Las proteínas fosfatasas van a desfosforilar las proteínas que fosforilaron las proteínas quinasas. La desactivación de la vía de transducción de señales es esencial: Desactivación del complejo hormona-receptor. Desactivación de la proteína G. Degradación de cAMP: cAMP → 5’-AMP (fosfodiesterasa de nucleótidos). Rompe la estructura del AMPc.
Activación de la enzima fosfolipasa C
Hormonas: H. liberadora de gonadotropinas (GnRH), H. liberadora de tirotropina (TRH), H. tiroestimulante o Tirotropina (TSH).
Son enzimas localizadas en la membrana plasmática y se van a encargar de la hidrólisis de un fosfolípido de la membrana, el fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato (PIP2). La fosfolipasa va a romper la estructura de este lípido y como consecuencia se van a generar dos moléculas distintas que funcionan como segundos mensajeros. El inositol-trifosfato (IP3) y el diacilglicerol (DAG). El inositol-trifosfato (hidrosoluble) va a pasar de la membrana al citosol, donde va a aumentar su concentración. Éste va a reaccionar con unas proteínas situadas en la membrana del retículo endoplásmico, lo que va a provocar la apertura de los canales de calcio del RE. Esto trae como consecuencia que aumente la concentración de calcio en el citosol. El calcio se va a unir a la proteína calmodulina, que va a formar el complejo calcio-calmodulina, este complejo va a activar la modificación covalente de varias proteínas de las que podemos destacar las proteínas quinasas. El DAG, tiene naturaleza liposoluble, por lo que va a moverse en la membrana lipídica, en presencia de calcio va a activar a las proteínas quinasas C que están en la membrana. Una vez activadas las proteínas quinasas C, van a fosforilar a otras proteínas. El sistema de la fosfolipasa va a permitir la activación de tres segundos mensajeros: el inositol-trifosfato, el DAG y de forma indirecta el calcio, que van a activar proteínas quinasas que fosforilarán a otras proteínas.
Regulación del ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs
La velocidad del ciclo de Krebs está regulada fundamentalmente por las enzimas Isocitrato DH y α-cetoglutarato DH, que son enzimas alostéricas. El ATP y NADH son efectores negativos, mientras que el ADP es un efector positivo. Cuando la presencia de ATP es alta en la mitocondria, se une a la enzima isocitrato deshidrogenasa, deteniendo la formación de ATP, ya que la célula tiene suficiente carga energética. La velocidad del ciclo de Krebs viene continuamente modulada para cumplir con las necesidades energéticas exactas de la célula. Los sitios primarios de control son las enzimas alostéricas: la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa. La isocitrato deshidrogenasa es estimulada alostéricamente por la presencia de ADP, que aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato. El NADH inhibe la enzima por el desplazamiento directo de NAD+. El ATP también tiene efecto inhibitorio. El segundo sitio de control del ciclo de Krebs está cerca de la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Algunos aspectos del control de esta enzima son parecidos a los del complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, como puede esperarse dada la extrema homología entre las dos enzimas. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por el succinil-CoA y el NADH, es decir, los productos de la reacción que cataliza, son efectores negativos. La α-cetoglutarato deshidrogenasa puede ser también inhibida genéricamente por un alto nivel energético presente en la célula. Esto significa que, en presencia de altos niveles de ATP, la célula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de producción de energía.
Regulación de los niveles de fructosa-2,6-bisfosfato
La fructosa-2,6-bisfosfato es un efector alostérico que actúa positivamente sobre la glucólisis y negativamente sobre la gluconeogénesis, está formada por la enzima fosfofructoquinasa-2. Los niveles de fructosa-2,6-bisfosfato en la célula van a depender si predomina la reacción de formación o la de hidrólisis donde se reconvierte en fructosa-6-fosfato. Si predomina la reacción de formación aumentan los niveles de fructosa-2,6-bisfosfato, si predomina la reacción de hidrólisis, disminuyen. La proteína que cataliza estas reacciones es una proteína bifuncional y depende de su estado de fosforilación, cuando no está fosforilada está activa la enzima fosfofructoquinasa-2 e inactiva la fructosa-2,6-bisfosfatasa. Cuando esta proteína es fosforilada sucede lo contrario, estará activa la fructosa-2,6-bisfosfatasa e inactiva la fosfofructoquinasa-2. Cuando la proteína no está fosforilada va a activar la fosfofructoquinasa-2 y aumentarán los niveles de fructosa-2,6-bisfosfato, cuando no está fosforilada, sucederá lo contrario.
Entrada de NADH citosólico en la mitocondria: las lanzaderas
El poder reductor en forma de NADH producido por la glucólisis en el citosol no puede atravesar libremente la membrana mitocondrial interna, por lo que se utilizan sistemas de lanzaderas que de forma indirecta permiten que el poder reductor acceda al interior de la mitocondria. Las más importantes son:
- Lanzadera Malato-Aspartato: El NADH generado en el citosol es utilizado por la enzima malato deshidrogenasa para reducir el oxalacetato a malato. El malato generado en el citosol pasa al interior de la matriz mitocondrial a través de un transportador. En la matriz mitocondrial, la enzima malato deshidrogenasa cataliza la misma reacción en sentido contrario, oxidando el malato a oxalacetato y utilizando los electrones generados para reducir el NAD a NADH. El oxalacetato se convierte en aspartato, que pasa al citosol a través de unos transportadores en la membrana mitocondrial.
- Lanzadera del glicerol-3-fosfato: El NADH generado en el citosol se utiliza para convertir la dihidroxiacetona-fosfato en glicerol-fosfato. El glicerol-fosfato se oxida en la membrana mitocondrial interna, generando FADH2 que cede sus electrones al coenzima Q de la cadena respiratoria.
Teoría quimiosmótica
Un gradiente de concentración de protones sirve como almacén de energía que dirige la formación de ATP: la fuerza protón motriz. La fuerza protón motriz (Δp) es la energía almacenada en el gradiente de concentración de protones. Los protones que son translocados al espacio intermembrana mitocondrial por la cadena de transporte electrónico regresan al interior de la matriz mitocondrial vía ATP sintasa. El bombeo de protones a través de la cadena de transporte electrónico crea una fuerza protón motriz que es la suma de las contribuciones de un potencial químico y un potencial eléctrico.