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RESEÑA
CLUB DE REVISTA POSGRADO DE MEDICINA DE LA
ACTIVIDAD FÍSICA Y EL DEPORTE - FUCS
TÍTULO DEL ARTÍCULO
Mitochondrial oxidative phosphorylation thermodynamic
efficiencies reflect physiological organ roles
AUTOR
CHARLES B. CAIRNS, JAMES WALTHER, ALDEN H. HARKEN,
AND ANIRBA N BANERJEE
BIBLIOGRA FÍA
American Journal of Physiology - Regulatory, Integrative
and Comparative PhysiologyPublished 1 May
1998Vol. 274no. R1376-R1383
INTRODUCCIÓN DEL ARTÍCULO:
Mitochondria cannot maximize energy production, efficiency, and the cellular ATP phosphorylation
potential all at the same time. The theoretical and observed determinations of coupling of oxidative
phosphorylation in mitochondria from rat liver, heart, and brain were compared using classical and
nonequilibrium thermodynamic measures. Additionally, the optimal thermodynamic efficiency and
flow ratios were determined for control of the two energy-converting complexes of the respiratory
chain: complex I (NADH), which reflects the integrated cellular pathway, and complex II (FADH2),
the predominantly tricarboxylic acid (TCA) cycle pathway. For all three organs, the cellular
respiratory pathway was more tightly coupled than the TCA pathway and resulted in a greater
optimal efficiency. Liver mitochondria are the most thermodynamically efficient at ATP production
using oxidative phosphorylation. Heart and brain mitochondrial systems utilize more oxygen, but
can produce ATP at a faster rate than liver systems. Per the theory of economic degrees of
coupling, isolated rat liver mitochondrial systems are designed for the economic production of ATP
for use in cellular processes. In the brain, the mitochondrial TCA cycle pathway promotes the
maximal maintenance of the cellular energy state for cellular viability, whereas in the heart the TCA
cycle pathway maximizes the production of ATP. The coupling of oxidative phosphorylation not only
can be expected to change with substrate availability but may also reflect an ontogenetic response
of mitochondria to fit specific organ roles in the rat.
RESUMEN DEL ARTÍCULO:
El control de la respiración es fundamental para el mantenimiento de la homeostasis celular en
organismos aeróbicos. La energía potencial de fosfato celular producido por la fosforilación
oxidativa mitocondrial parece ejercer un fuerte control de la tasa de oxidación. Las mitocondrias no
simplemente consumen oxígeno y hacen ATP a una velocidad máxima limitada sólo por la
disponibilidad del sustrato. Mitocondrias deben consumir energía durante el proceso de la
fosforilación oxidativa, fisiológicamente éste es el requisito energético para apoyar la arquitectura
mitocondrial y su viabilidad.
Las mitocondrias se han descrito como capaces de diferentes misiones para economizar la
producción de energía en contra de las demandas de energía de la fosforilación oxidativa. Además,
las mitocondrias de diferentes órganos y sistemas demuestran diferencias morfológicas y
funcionales, por lo tanto, la producción de ATP por el consumo de oxígeno (relación P:O) puede
variar en diferentes poblaciones mitocondriales; estas diferencias pueden reflejar uno de los cuatro
misiones fisiológicas: ya sea maximizar la producción de ATP o la energía potencial de fosfato
celular, minimizando el costo de producción, o una combinación de estos tres.
Los valores ideales descritos por la teoría quimiosmótica vinculando el bombeo de protones por los
subcomplejos mitocondriales a la síntesis de ATP dependiente de protones en los estudios
moleculares de factores aislados F1 y F0 de la ATPasa mitocondrial sólo pueden realizarse si no hay
ningún costo intramitocondrial de conversión de sustrato en energía. De acuerdo a la segunda ley
de la termodinámica, éste no puede ser el caso. Por lo tanto, la eficiencia de conversión de sustrato
en energía debe ser inferior a 100% y la relación P:O debe ser menor que el ideal estequiométrico
(3:1). Así, la relación P:O medido in vivo es típicamente submáxima y puede ser específica a los
órganos dependientes de oxígeno, a su vez ésta relación se encuentra predeciblemente alterada en
estados patológicos.
No está claro cómo las condiciones fisiológicas pueden regular estas diferentes misiones
mitocondriales o si estos cambios en el acoplamiento son ventajosos. El enfoque de la
termodinámica no balanceada al problema de acoplamiento puede resultar perspicaz. Se ha
observado que éstos parámetros termodinámicos cambian dependiendo del estado nutricional del
animal (ayuno vs alimentado). Por ejemplo, en animales alimentados las mitocondrias del hígado se
han descrito como operando en un punto determinado que maximiza tanto la producción de ATP y
el potencial de fosfato celular mientras se minimiza el coste de la producción de ATP. En el estado
de ayuno, se observó que las mitocondrias de hígado cambiaron de misión a maximizar la
producción de ATP con un costo mínimo sin tener en cuenta el potencial de fosfato celular.
Sin embargo, no se han descrito mediciones directas de transducción de energía mitocondrial en
ninguna de las situaciones, ya sea en el punto de eficiencia óptima o al flujo de salida ATP máxima
o la potencia de salida. Además, el estado termodinámico de la cadena de transporte de electrones
mitocondrial no se ha determinado en diferentes niveles de la demanda de energía del tejido.
Las mitocondrias tienen dos complejos diferentes para la conversión de sustrato a la energía:
Complejo I refleja la producción de NADH celular global de la oxidación de ácidos grasos, el ciclo
del ácido tricarboxílicos (TCA), y la glucólisis. El Complejo II recibe FADH2 directamente de la
Succinato Deshidrogenasa y así sólo depende del ciclo TCA mitocondrial. Se postula que las
misiones termodinámicas para el control de los dos complejos de conversión de la energía
mitocondrial de la cadena respiratoria son diferentes para las mitocondrias de l Hígado, el Corazón,
y el Cerebro.
OPINIÓN:
Teniendo en cuenta los propósitos de éstos estudios en mitocondrias aisladas de hígado, corazón, y
cerebro, los cuales fueron los siguientes:
1) Determinar la eficiencia de la respiración mitocondrial para la respuesta sustrato celular
integrada a través de NADH (Complejo I).
2) Examinar el grado de acoplamiento termodinámico de la respiración mitocondrial a través del
Ciclo de Krebs (Complejo II).
3) Comparar de estos datos de la respuesta a los datos teóricos de acoplamiento, eficiencia óptima,
y la relación de flujos óptimos utilizando modelos de la termodinámica no balanceada.
Se pueden observar varios fenómenos: se evidencian las diferencias estructurale s y funcionales en
las mitocondrias de los tejidos estudiados (Hígado, Corazón y Cerebro), la vía integrada celular
global y el ciclo de los TCA son optimizados a diferentes grados de acoplamiento termodinámico , el
ciclo de los TCA tiene un mayor consumo de oxígeno en comparación con la vía integrada celular
global. Si definimos la eficiencia termodinámica como la relación entre la producción de ATP por el
consumo de oxígeno (relación P:O) el Hígado parece ser más costo-efectivo; el Corazon y el
Cerebro pueden producir ATP a una tasa más alta, lo que se debe al mayor consumo de oxígeno,
ya que la relación P:O es mayor en las mitocondrias hepáticas (una mayor eficiencia
termodinámica).
Elaborado por
CARLOS ESTEBA N VESGA CARO
RESIDENTE 1° AÑO
MEDICINA DE LA ACTIVIDA D FÍSICA Y EL DEPORTE, FUCS
FECHA: 17/08/2014
Bogotá - Colombia