Efectos de la Congelación en Membranas y Proteínas en las Células Tumorales de Próstata LNCaP

La criocirugía se está convirtiendo en una terapia establecida para el cáncer de próstata. Los mecanismos de la lesión durante la criocirugía incluyen daño directo a las células cancerosas

debido a la congelación, así como efectos en los que interviene el huésped como lesiones vasculares y efectos inmunológicos, que ocurren después de la descongelación.

Uno de los factores que determinan el tipo de daños durante la congelación es la velocidad de enfriamiento. En las tasas de enfriamiento rápido, la formación de hielo intracelular es el principal responsable de la destrucción de las células. Por el contrario, a bajas velocidades de enfriamiento, donde predomina la deshidratación existen lesiones osmóticas debido a los efectos de los solutos que causan daños. Durante el enfriamiento lento, se forma una capa de hielo fuera de la célula antes de propagarse dentro. Por consiguiente  la célula se deshidrata y las biomoléculas endógenas son expuestas a altas concentraciones de solutos. Por el contrario la congelación rápida resulta en daños intracelulares  letales debido a la formación de hielo. Otro factor determinante en la formación de hielo intracelular es la temperatura de nucleación de formación de hielo en el espacio extracelular. Estudios cinéticos han demostrado que entre menor sea la temperatura de nucleación mayor será la incidencia de formación intracelular de hielo.

A nivel molecular, la congelación afecta a los lípidos de membrana,  proteínas y ácidos nucleicos, cambiando las interacciones  hidrofóbicas e hidrofílicas determinando su estructura y función.  Es sabido que el enfriamiento altera el estado físico de los lípidos, alterando así la organización de lípidos y la fluidez. Las membranas biológicas presentan a menudo una transición de estado de fase líquida cristalina a fase de gel durante el enfriamiento y viceversa cuando se calientan.

Se piensa que las consecuencias de las transiciones de fase incluyen aumento de la permeabilidad de la  membrana y separación de fase lateral de los componentes de la membrana. Las proteínas pueden ser sometidas a alteraciones estructurales irreversibles con la congelación, debido a

la exposición a la concentración alta de solutos. Además, las proteínas y los lípidos están expuestos a las especies reactivas de oxígeno, debido a  que los sistemas enzimáticos de barrido se vean comprometidos por congelación y el cambio físico propiedades y composición química de la membrana plasmática puede dar lugar a una fuga de solutos citoplásmicos.

Una de las pocas técnicas adecuadas para el estudio de los cambios-inducidos  por congelación  en la estructura y conformación de las biomoléculas celulares es la espectroscopía infrarroja (FTIR). En este trabajo la FTIR se utilizó para estudiar los cambios en el comportamiento de fases de la membrana  lipídica y la estructura secundaria de proteínas en general durante la congelación de las células tumorales de próstata LNCaP. Las células de tumores se enfriaron  a 2 ° C / min, mientras que se vario la temperatura de nucleación de hielo entre -3 y -10 ° C. Se descubrió que la

 incidencia de la formación intracelular de hielo aumenta rápidamente  en temperaturas de nucleación de hielo por debajo de -4 ° C y la supervivencia óptima  celular se presenta en niveles intermedios de la deshidratación y la formación de hielo intracelular.  El inicio de la transición de fase de líquido cristalino a gel coincide con la temperatura de nucleación del hielo, además ésta temperatura determina la co-operatividad de la transición y la trastorno residual de conformación de las membranas en el estado congelado. La exposición a altas concentraciones de soluto (causada por la deshidratación) es  otra causa principal de muerte celular durante la congelación.

El efecto de la la temperatura de nucleación en la tasa de formación hielo intracelularestablece que entre menor sea ésta, mayor es la incidencia de formación de hielo intracelular en las células, lo cual podría explicar los efectos en el comportamiento de las fases de la membrana, que cambia en las células LNCaP de una fase liquida cristalin a gel con el enfriamiento. El efecto de la temperatura de nucleación en la respuesta  termotrópica de la membranas se puede atribuir a las diferencias en el grado de la deshidratación celular. La deshidratación durante el secado al aire o secado con hielo se sabe que afecta el comportamiento de fases de los lípidos y

liposomas de las membranas biológicas.

Wolkers, F.W. (2007). Effects of freezing on membranes and proteins in LNCaP prostate tumor cells. Departamento de Ingeniería Biomédica . Universidad de Minesota

La Exposición al Etanol Disminuye la Permeabilidad de la Membrana Externa en Hepatocitos Cultivados de Ratón

Las respuestas agudas del hígado al etanol incluyen generación comprometida de ATP mitocondrial, el aumento de formación de especies de oxígeno reactivo (ROS), la peroxidación lipídica y la supresión de la oxidación de ácidos grasos. El etanol también produce un estado  hipermetabólico caracterizado por un rápido incremento en el metabolismo del alcohol (SIAM), una duplicación de la respiración mitocondrial y un desacoplamiento aparente de la fosforilación oxidativa mitocondrial. El metabolismo mitocondrial requiere el continuo intercambio de sustratos entre el citosol y la matriz mitocondrial. Este intercambio es catalizado por intercambiadores específicos localizados en la membrana interna, incluyendo el transportador de nucleótidos de adenina, el transportador de fosfato, el transportador de ácido dicarboxílico, el transportador de carnitina-acetilcarnitina y otros.

Por el contrario, el intercambio de casi todos los metabolitos solubles en agua entre el citosol y el espacio intermembrana es ampliamente aceptado que se produzca principalmente a través del canal de voltaje dependiente de aniones  (VDAC) de la membrana externa mitocondrial. Existen otros tipos de canales descritos en la membrana externa de la mitocondria, pero estos canales no VDAC permanecen cerrados, excepto  cuando se abren por señalización pro-apoptótica o señalizaciones relacionadas dedicadas a funciones específicas, como la importación de proteínas. VDAC es el único canal en la membrana externa mitocondrial en el cual se ha identificado que facilita el intercambio de pequeños  metabolitos hidrofilicos entre el espacio intermembranal de la  mitocondrial y el citosol. Así se explica que los cambios de permeabilidad VDAC pueden ser importantes en la regulación global del metabolismo fisiológico y oxidativo de la mitocondria.

Para el estudio de los efectos de la exposición de etanol en las membranas de la mitocondria se uso digitonina un detergente no iónico que forma poros en membranas que contienen colesterol; y se uso para permeabilizar la membrana plasmática externa de las mitocondrias en en hepatocitos de rata.

El mecanismo molecular bajo el cual subyace la patogénesis de la enfermedad hepática inducida por el alcohol sigue siendo comprendido de manera incompleta, pero se sabe que muchos factores que convergen en la mitocondria pueden contribuir a alteraciones metabólicas y daño hepático progresivo. Las alteraciones metabólicas mitocondriales después de la exposición del etanol incluyen un aumento de la respiración y la oxidación de acetaldehído, disminución de la oxidación de ácidos grasos y la generación de ATP, la depleción de glutatión, y estrés oxidativo.

El metabolismo mitocondrial normal requiere un continuo intercambio de metabolitos entre el citosol y la matriz mitocondrial. Mientras que el mitocondrial interna contiene intercambiadores específicos los  metabolitos hidrofílicos entran en el espacio intermembranal a través del canales VDAC en la membrana externa. Se llego a la hipótesis de que el cierre de los canales VDAC contribuye a la supresión de la función mitocondrial después de la exposición a etanol y esto ocurre en otras situaciones y patologías incluyendo anoxia e isquemia, hipoxia citopática y glicolisis aeróbica en cáncer.

Las funciones de la mitocondria fueron monitoreadas después de administrar diferentes dosis de digitonina. La permeabilización selectiva de la membrana plasmática con digitonina baja (8-20 μM) fue confirmada por la liberación de LDH y la captación de azul tripan con retención de AK mitocondrial y citocromo c, mientras que el aumento digitonina (80 μM) causó la permeabilización de la membrana externa con liberación de citocromo c y liberación intermembrana de adenilato cinasa AK mitocondrial.

El tratamiento con etanol resulto en la duplicación de la tasa de respiración celular endógena consistente con el cierre de los canales VDAC.  Al mismo tiempo, el tratamiento de células de control y el expuesto al etanol con digitonina baja dio como resultado una mayor respiración en el control  (~100 nmol/min/106cells) en comparación con el expuesto a etanol  (~60 nmol/min/106cells), lo que demuestra 40% de supresión de la tasa de respiración después de la exposición del etanol. El aumento de la respiración endógena puede ser un indicio de desacoplamiento parcial. Los metabolitos de etanol pueden persistir después del lavado de etanol para explicar el aumento.

Del mismo modo, el tratamiento de etanol inhibe la accesibilidad del AK mitocondrial a sus sustratos. Aunque el tratamiento de etanol no tuvo efecto sobre la actividad citosólica de AK, la actividad mitocondrial de AK fue de 43% menos después del tratamiento de etanol en comparación con el que no tuvo tratamiento. Estos resultados fueron consistentes con la conclusión del tratamiento de etanol como causante de una disminución de la permeabilidad de la membrana externa hacia las sustancias solubles en agua, lo más probable por la inhibición de los canales VDAC.  Se sabe por hepatocitos no tratados que la permeabilidad de la membrana externa no es  limitante de la velocidad de fosforilación oxidativa y otras actividades mitocondriales en las células en condiciones normales.

Aunque la exposición al etanol parece cerrar los canales VDAC mitocondriales, los mecanismos que regulan la permeabilidad VDAC no están completamente entendidos. La oxidación del etanol en el citosol y el acetaldehído en la mitocondria conduce a la formación de ROS y el aumento de

NADH, y el NADH alto y aumento de ROS puede inhibir la permeabilidad de los canales VDAC. Pero aún con la información presentada no se puede determinar la medida exacta en la cual la conductividad de los canales de VDAC disminuye después del tratamiento con etanol.

Holmuhamedov, E. (2009). Ethanol exposure decreases mitochondrial outer membrane permeability in cultured rat hepatocytes. Departamento de celulas y desarrollo biologic. Escuela de medicina de Carolina del Norte

Introducción a la Radiación Ultra Violeta y Ozono

El Sol es una esfera gaseosa como la mayor parte de las estrellas, su s principales componentes son el hidrógeno y e helio. Debido a las grandes presiones el hidrógeno del núcleo se convierte en helio liberando una pequeña ráfaga de energía que pierde intensidad en su camino a la superficie convirtiéndose en luz visible y rayos infrarrojos en su mayor parte. Su temperatura central es de 15 millones de °C y en la superficie llega a 5 mil °C.

La energía que recibe la Tierra proviene de una delgada capa del Sol, llamada fotosfera o corteza que se encuentra a elevada temperatura a (4000 a 6000 K). La energía que mantiene esta temperatura tiene su origen último en reacciones termonucleares que se producen en la parte central del Sol y que transforma en cada segundo 400 millones de toneladas de hidrógeno en helio aproximadamente.  La radiación emitida por el Sol comprende una gama continúa y extensa de longitudes de onda desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, pasando por rayos X, ultravioleta (UV), visible, infrarrojo (IR) y microondas.

Una parte de las radiaciones UV es absorbida por la atmósfera, específicamente el ozono es el responsable de esto protegiendo a los organismos biológicos que son muy susceptibles a daños por estas radiaciones.  En pequeña medida este tipo de radiación contribuye a la función fotosintética en plantas  y la síntesis de vitamina D en animales. Es decir su presencia en la atmósfera se encuentra en un equilibrio crítico y cualquier desplazamiento de equilibrio  puede tener resultados impredecibles. Pero en los últimos años la actividad industrial del hombre ha tenido en efecto en la destrucción del ozono principalmente en la región de la Antártida.

Para efectos de estudio las radiaciones UV se dividen en 3 tipos según sus longitudes:

a) UV-A: 320 a 400 nm; esta radiación no se absorbe por el ozono.

b) UV-B: 280 a 320 nm; esta radiación es sumamente sensible a las variaciones de [] ozono.

c) UV-C: menos de 280 nm; esta radiación experimentaría un cambio sólo si 90% de la capa de hidrógeno se destruyera.

Y esto ha sido constatado pues conforme se ha dañado la capa de ozono estas radiaciones de UV-B han ido en aumento.  La capa de ozono no se encuentra como una capa nebulosa que encapota la Tierra, sino que es un gas muy escaso (no alcanza ni las ppm  de los gases de la atmósfera) que se encuentra altamente diluido en el aire. La formación del ozono tiene lugar en la alta estratosfera por la acción de los rayos UV y el oxígeno molecular  y las posteriores reacciones químicas que se producen.  El ozono es el principal causante de la distribución de temperaturas estratosféricas. En donde las temperaturas estratosféricas superiores se encuentran en la alta estratosfera y las inferiores en la baja estratosfera.  A lo largo del año las mayores cantidades de ozono se producen en las zonas ecuatoriales y las ondas de gravedad lo trasladan a latitudes mayores que en esa época estén en invierno, de tal forma que pese a ser la zona de mayor producción de ozono, es en donde se encuentra en menores cantidades.

Específicamente en los humanos  existe una relación entre la dosis de UV-B recibida y la aparición de lesiones oculares y cutáneas  y estas pueden ir desde una quemadura solar hasta cáncer de piel. Pero esto no ha sido cuantificado exactamente pues esto depende de muchos factores como color y tono de piel, hábitos de vida y lugar de residencia. Las macromoléculas orgánicas, en especial el ADN  son muy sensibles a los cambios en estas radiaciones por lo que una disminución en la capa de ozono podría tener efectos mutágenos en muchas especies a su vez la fotosíntesis vegetal puede ser ligeramente inhibida afectando la relación oxígeno­-dióxido de carbono.

Los efectos de la radiación UV  en los seres vivos son muy diversos por lo cual a aumentado su estudio en los últimos 20 años. Además de las lesiones cutáneas y oculares se descubrió que a nivel de ADN las radiaciones UV afectan directamente las bases pirimídicas produciendo efectos oncogénicos y específicos en fotocarcinogénesis. Considerando la dosis eritemátrica mínima (Minimal Erithematic Dose) que depende del color y tono de piel y el índice UV (1UVi corresponde a una irradiancia de 1/40 w/m2) se tienen que tomar unas u otras medidas  para evitar el daño por radiaciones UV, a continuación presentamos una tabla: 

Una vez conociendo nuestro tipo de piel hemos de adoptar medida de protección para este tipo y tomando en cuenta la intensidad de loa rayos UV. Las siguientes medidas son una guía para dicha decisión: 

                                                    

Es importante tomar esto en cuenta así como nuestra contribución a la destrucción de la capa de ozono para prevenir daños a nuestra persona, el medio ambiente y la Tierra en general.

Universidad de Valladolid. Facultad de Ciencias. Introducción a la radiación Ultra Violeta y Ozono. España

Fotosíntesis

La energía solar que llega la biosfera (~3.1024 J/año) es captada y convertida en biomasa por los ecosistemas terrestre y acuático con una eficiencia del 0,1% (~3.1021 J/año) almacenándose en 200 Gt (peso seco) de material vegetal por año a expensas de la energía solar, pues ~30 GJ corresponde a la síntesis de ~2 toneladas biomasa. Aunque el ecosistema acuático cubre aproximadamente 2/3 de la superficie de la Tierra, produce aproximadamente la misma cantidad de biomasa que el terrestre, debido a que éste presenta una eficiencia que al menos duplica la del marino. A continuación una tabla de porcentaje de producción de biomasa.

Ecosistema Terrestre:    Bosques 70%

                                                Praderas y sabanas 20%

                                                Cultivos agrícolas 10%

Ecosistema marino:         Fitoplancton 90%

                                                Macrófitas 10%

La fotobiología comprende una franja estrechísima de 300 a 1100 nanómetros, de la que dependen la visión, las taxias, los tropismos, la dormición, la floración, la maduración, y sobre todo la fotosíntesis.. Estos procesos no pueden tener lugar en la región ultravioleta o la del infrarrojo lejano, porque las radiaciones de estas longitudes de onda no son apropiadas para las reacciones fotobiológicas. Los límites energéticos de la fotobiología se sitúan más o menos, entre 100 y 400 pues con una energía superior a 400 kJ/mol, incompatibles con la vida porque pueden romper enlaces en las macromoléculas biológicas, tales como ácidos nucleicos y proteínas.

Existen dos tipos de fotosíntesis, una llamada oxigénica que es llevada a cabo por las plantas, algas y cianobacterias y el agente reductor es el agua; otra anoxigénica que es cumplida por bacterias donde diversos compuestos orgánicos u inorgánicos actúan como donadores de electrones, según la especie. La unidad fotosintética básica está constituida por moléculas de clorofilas y otros pigmentos que actúan como antenas y por clorofila a especializada. Existen distintos tipos de clorofila pero todos tienen un anillo tetrapirrólico cíclico (porfirina) con un átomo de magnesio en el centro.

Las clorofilas a, b y d poseen una larga cadena hidrófoba de fitol que les permite anclarse en las membranas biológicas, en tanto que la clorofila c carece de este resto hidrocarbonado. Las distintas formas de clorofila actúan en su mayoría como pigmentos antena,  existen moléculas especializadas de clorofila a para plantas y algas: P680 en el fotosistema II, P700 en el fotosistema I y  para bacterias se encuentran bacterioclorofilas de tipo a y b, en los centros de reacción: P840 en las bacterias verdes y P870 en las purpúreas. Los otros pigmentos que forman parte de las antenas fotosintéticas realizan exclusivamente funciones de fotorrecepción.

Los pigmentos fotosintéticos en las bacterias verdes y purpúreas se disponen en estructuras conocidas como clorosomas y cromatóforos, respectivamente. Y organismos con fotosíntesis oxigénica, los pigmentos están localizados en los tilacoides que en algas y plantas superiores se agrupan en pilas llamdas granas que se conectan entre si por lamelas dentro de los cloroplastos.

Se encuentran 3 tipos de complejos de la clorofila:

a)      El complejo colector de luz donde se integran la mayoría de las antenas de clorofilas y pigmentos accesorios;

b)      y c) Fotosistema I y II, donde ocurre la fotosíntesis. Ambos fotosistemas se conectan entre sí mediante una serie de transportadores de electrones y por el complejo de citocromos hidrofóbicos b6f, dentro de las  membranas tilacoidales.

La molécula de clorofila se excita por la luz y cede uno de sus e- más externos al aceptor, quedando la clorofina oxidada y el aceptor reducido. La clorofila oxidada actúa, por su parte, como un fuerte agente oxidante que capta un electrón del donador. Éste se oxida y la clorofila recupera su estado original. El donador oxidado y el aceptor reducido recuperan su estado original al interaccionar con los sistemas redox vecinos del aparato fotosintético. De esta manera se transfieren los e- impulsados por la luz de un compuesto a otro a través de las denominadas cadenas de transporte fotosintético de e-. Los componentes de estas cadenas suelen ser proteínas de origen hemínico (citocromos), átomos de cobre (plastocianina) o centros sulfoférricos (ferredoxina), así como feofitinas y quinonas, variando de unos organismos a otros en función del tipo de fotosíntesis que llevan a cabo.

En resumen, las tres fases del ciclo reductivo de las pentosa-fosfato o ciclo de Calvin a) la primera fase carboxilativa b) la segunda reductiva y la c) tercera fase regenerativa conducen a la formación neta de una molécula de gliceraldehído-3-fosfato a partir de tres moléculas de CO2, para lo cual se requiere el aporte de un total de seis moléculas de NADPH y nueve de ATP. La gran mayoría de los plantas (musgos, helechos, árboles etc.) siguen la vía normal C5 + C1/2=C3, así como las bacterias fotosintéticas, cianobacterias y algas. Denominamos a las plantas que llevan a cabo esta fotosíntesis C3.

Existen otros dos tipos de fotosíntesis para plantas C4 y CAM. Las plantas C4 utilizan la ruta auxiliar C3 + C1 = C4 en la que el CO2 se incorpora al fosfoenol piruvato para dar oxalacetato (4 carbonos)  que se reduce a malato o aspartato (según la especie). Éste pasa de las células del mesófilo a las de la vaina del haz vascular, donde se descarboxila y libera el CO2 previamente fijado. De este modo aumenta la concentración de CO2 en los cloroplastos de las células de la vaina, favoreciendo la actividad carboxilasa de la enzima RubisCO en comparación su  act. oxigenasa y así aumenta la eficiencia de la fijación de CO2 por la ruta del ciclo de Calvin. Para las plantas suculentas o CAM la difusión del CO2 hacia los tejidos es nocturna. El primer compuesto producido tiene cuatro átomos de carbono y a la luz del día siguiente, ocurre la segunda etapa de las reacciones fotosintéticas que precisa la enzima RubisCO.

Carrillo, L. (2004). Energía de Biomasa. Fotosíntesis. 1ra ed. 1er título Energía y Reciclado de Basura