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Cadena de Transporte de Electrones
Cadena de Transporte de Electrones
Cadena de Transporte de Electrones
Fosforilación oxidativa
Mitocondriopatias
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Objetivos:
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Oxidaciones biológicas
Las células necesitan energía para realizar el trabajo que representa mantenerse vivas,
crecer y reproducirse. La habilidad para encauzar la energía en un trabajo biológico es
una propiedad fundamental de los organismos vivos. La transferencia de electrones en
las reacciones de óxido-reducción es una característica central del metabolismo. Estas
reacciones involucran la pérdida de un electrón por una especie química, la cual será por
lo tanto oxidada, y la ganancia de electrones por otra especie química, la cual será
reducida. El flujo de electrones en las reacciones de óxido-reducción es responsable,
directa o indirectamente, de todo el trabajo realizado por los organismos vivos.
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Se denomina respiración celular al proceso de oxidación total de todos los nutrientes a
CO2 y H2O, con la participación del O2 como aceptor final de los electrones provenientes
de las oxidaciones de los nutrientes y la consecuente generación de ATP a partir de ADP
más fosfato (Pi). De modo que en la respiración celular, gran parte de la energía liberada
en el proceso oxidativo se conserva en uniones químicas, que son las que se establecen
entre los grupos fosfatos y las moléculas de ADP para generar moléculas de ATP.
Metabolismo respiratorio
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a) el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CTC), responsable de la oxidación total
del acetil CoA ,
b) la cadena de transporte de electrones, necesaria para la reoxidación de las
moléculas de coenzimas a expensas del oxígeno molecular y
c) la fosforilación oxidativa (FO) del ADP a ATP como consecuencia de un
gradiente de protones que se genera durante el transporte de electrones.
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La membrana externa es permeable a pequeñas moléculas (de peso molecular menor a
5.000 Da) e iones. La permeabilidad de esta membrana se atribuye a la presencia en la
misma de una proteína transmembrana llamada porina la cual forma canales o poros.
Otras proteínas de esta membrana son las enzimas implicadas en la síntesis mitocondrial
de lípidos y las enzimas que transforman en la matriz los sustratos lipídicos en formas
metabolizables.
En cambio la membrana interna, más rica en proteínas, es prácticamente impermeable a
sustancias polares e iónicas. El agua, el CO2 y el O2 son algunas de las pocas moléculas
que pueden atravesar libremente la membrana mitocondrial interna. La mayoría de las
moléculas que atraviesan la membrana mitocondrial interna lo hacen únicamente por la
mediación de proteínas transportadoras específicas. Por ejemplo, el ATP y el ADP no
difunden libremente a través de la membrana mitocondrial. Una proteína transportadora
específica, ATP-ADP translocasa permite que estas moléculas cargadas atraviesen la
membrana. De manera similar el piruvato, los ácidos grasos, los aminoácidos y los
cetoácidos son llevados por transportadores específicos a la matriz mitocondrial, donde
se localizan los sistemas enzimáticos que participan en la degradación de los mismos.
Los componentes de la cadena de transporte de electrones y el complejo enzimático
responsable de la síntesis de ATP se hallan en la membrana mitocondrial interna.
El espacio intermembrana contiene varias enzimas que utilizan la salida de ATP de la
matriz para fosforilar otros nucleótidos.
La matriz contiene una mezcla altamente concentrada de enzimas, incluyendo las que
son necesarias para la oxidación del piruvato y los ácidos grasos y para el ciclo de Krebs.
La matriz contiene también ADN llamado mitocondrial, ribosomas mitocondriales, tARN y
varias enzimas requeridas para la expresión de genes mitocondriales. Al igual que el
ADN bacteriano, y a diferencia del nuclear, el ADN mitocondrial es circular, no presenta
los genes interrumpidos por secuencias no codificantes (intrones) y no está asociado con
proteínas, es decir, se trata de ADN desnudo. Otro hecho sobresaliente es que la síntesis
mitocondrial de proteínas puede bloquearse con antibióticos, como el cloranfenicol, la
tetraciclina, y otros del grupo de los macrólidos; pero no se inhibe con la cicloheximida
como los ribosomas citoplasmáticos. De todas maneras las mitocondrias no son
genéticamente autosuficientes. La mayoría de las estructuras necesarias para que
desarrollen su función, son codificadas por genes nucleares. El ADN mitocondrial sólo
tiene información para la síntesis de sus propios ribosomas y para algunos de sus ARN de
transferencia. En cuanto a las proteínas, codifica para algunas pocas subunidades de
algunos complejos enzimáticos situados en la membrana interna de la organela. El resto
de las proteínas involucradas en el ciclo de Krebs y en la fosforilación se sintetizan en el
citoplasma y se transporta hasta la mitocondria para cumplir su función.
En la figura siguiente se esquematizan los procesos mitocondriales más importantes.
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CONCEPTO DE OXIDO-REDUCCION
Antes de seguir adelante con la cadena respiratoria vamos a hacer un breve repaso de
las reacciones de óxido-reducción.
OXIDACION: Cuando una sustancia química se oxida, pierde electrones. Los siguientes
son ejemplos de reacciones de oxidación:
½ O2 + 2 H+ --------> H2O
Reacción global
O O
R-C-H + ½ O2 ------------> R-C-OH
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• Directamente como electrones (por ej. De Fe2+ a Fe3+)
Debemos tener en cuenta que debido a que las concentraciones de reactivos y productos
raramente son iguales, lo que determinará la dirección del flujo electrónico no será el
potencial estándar, sino el potencial real teniendo en cuenta las concentraciones de todas
las moléculas participantes en el proceso del transporte, y su estado de oxidación.
Como todos sabemos, vivimos en un baño de 20% de oxígeno. Desde un punto de vista
termodinámico, la materia viva es muy inestable con respecto a la combustión por
oxígeno. Pero desde un punto de vista cinético el oxígeno es estable. Así es que para que
las células consuman oxígeno activamente y a una velocidad compatible con la vida, se
requieren enzimas que lo activen. La molécula de oxígeno es muy estable y por ello es
energéticamente desfavorable añadir un electrón para formar el radical aniónico
Superóxido: O2- . Por esta razón el ataque oxidante por oxígeno tiende a ser lento. Luego
que ha adquirido un electrón, resulta fácil a los electrones adicionarse a la estructura.
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pueden donarlos al siguiente acarreador de la cadena, finalmente se combinan con
Oxígeno y protones formando agua. Este requerimiento por Oxígeno hace que este
proceso de transporte de electrones se denomine también cadena respiratoria, la cual
utiliza la mayoría del Oxígeno consumido por un organismo aerobio.
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Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+)
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Nucleótidos de flavina: Flavina mono nucleótido (FMN) y Flavina adenina dinucleótido
(FAD). Están unidos covalentemente a la enzima. Los nucleótidos de flavina oxidados
pueden aceptar uno ó dos electrones cuando estan oxidados y ceder uno ó dos electrones
cuando están reducidos. El potencial de reducción estándar de un nucleótido de flavina
depende de la proteína con la que esté asociado
Estructura
Enzima Coenzima
NADH DH FMN
Succinato DH FAD
Dihidroxilipoil DH FAD
Acetil CoA DH FAD
Xantin oxidasa FAD
D-amino-acido oxidasa FAD
Aldehido oxidasa FAD
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Reducción del anillo de isoaloxacina de los nucleótidos flavínicos
El núcleo isoaloxacina comprende dos dobles enlaces conjugados capaces de fijar dos
átomos de H en forma reversible sobre los 2 átomos de N extremos, N1 y N5 , señalados
en la figura.
COENZIMA Q (CoQ) : También llamada ubiquinona, es una quinona con una larga
cadena isoprenoide. Las características hidrofóbicas de esta molécula determinan su alta
movilidad dentro de la membrana mitocondrial. Los grupos carbonilo que están
presentes en la forma oxidada de la molécula se reducen aceptando cada uno de ellos un
electrón y un protón, de modo que cada una de las dos funciones cetona se transforman
en función alcohol. La forma reducida de la molécula se denomina ubiquinol.
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PROTEINAS con Fe Y AZUFRE: Otras proteínas participan en el transporte de
electrones en el complejo NADH DH y entre los citocromos. Son proteínas con hierro
(hierro no heminico) y S. Algunas de estas estructuras se muestran en la siguiente
figura, donde los grupos R unidos a las cisteinas representan el resto de las cadenas
polipeptídicas. Los átomos de Fe, que se unen a los grupos sulfhidrilo de cisteinas de las
proteínas, participan en la transferencia de electrones pasando del estado ferrico al
estado ferroso y viceversa:
Citocromos:
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Como ocurre con las flavoproteinas, el potencial de reducción estándar del Fe en el
hemo de un citocromo depende en gran medida del entorno proteico, esto determina
que si bien la especie que se oxida y reduce reversiblemente en todos los citocromos es
la misma (el Fe 2+/Fe 3+), el potencial de reducción es diferente para cada uno de
ellos, aún cuando contengan el mismo tipo de grupo hemo.
El citocromo C es una proteína soluble de bajo peso molecular y muy conservada en los
seres vivos. Se comporta como una molécula móvil que conecta los componentes III y IV
de la cadena respiratoria.
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COMPLEJO I ó NADH deshidrogenasa ó NADH:ubiquinona oxido reductasa:
Cataliza 2 procesos acoplados simultáneos
(1) la transferencia exergónicas de un ion hidruro desde el NADH y un protón desde la
matriz a la ubiquinona (CoQ).
NADH + H+ + CoQ _____ NAD+ + CoQH2
El Complejo I actúa por lo tanto como una bomba de protones impulsada por la
energía de la transferencia de electrones, moviendo los protones desde la matriz (que
comienza a estar negativamente cargada) al espacio intermembrana (que comienza a
estar positivamente cargado).
El dominio que contiene el FMN con el cual interacciona el NADH penetra en la matriz
mitocondrial. La CoQ reacciona dentro del dominio de membrana. Los centros hierro-
azufre están en el dominio de unión al NADH en un dominio conector cercano al
segmento de membrana.Las reacciones redox que
ocurren son:
Los electrones pasan a través de una serie de centros Fe-S dentro del complejo I hasta
que son transferidos a la CoQ, la cual acepta 2 electrones y toma 2 H+ para dar la CoQ
reducida: QH2.
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IMPORTANTE: Otros sustratos de las deshidrogenadas mitocondriales también pasan
electrones a la cadena respiratoria a nivel de la ubiquinona (CoQ), pero no a través del
Complejo II.
Estos son:
COMPLEJO IV ó citocromo oxidasa: acepta los electrones del cit c y los transfiere al
oxigeno para realizar la siguiente reacción irreversible:
O2 + 4 H+ + 4 e -------- 2 H2O
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La energía de la transferencia de electrones es conservada como un gradiente
de protones (energía potencial)
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La cadena de transporte de electrones puede ser inhibida en sitios específicos
Una serie de compuestos químicos tienen efectos tóxicos debido a que inhiben en sitios
específicos, el transporte de electrones de la cadena respiratoria. Como puede
observarse en la figura presentada a continuación, la rotenona (insecticida) y el amital
(un barbiturato) inhiben a nivel de la NADH deshidrogenasa. Por lo tanto los electrones o
equivalentes de reducción derivados de la deshidrogenasa unida al NAD no son oxidados
por la cadena de transporte de electrones en presencia de rotenona, mientras que los
derivados de las deshidrogenasas unidas al FAD son libremente oxidados.
El antibiótico antimicina A inhibe la transferencia de electrones a nivel de citocromo b,
mientras que el paso terminal catalizado por la citocromo c oxidasa es inhibido por
cianuro, azida o monóxido de carbono. El cianuro y la azida se combinan con el Fe3+
del hemo en los citocromos a y a3 e impiden su reducción por los electrones que derivan
del citocromo c reducido. El monóxido de carbono se une al Fe2+ de citocromo oxidasa.
Por lo tanto la inhibición del transporte de electrones mitocondrial resulta en una
alteración de la funciónnormal generadora de energía y lleva a la muerte del organismo.
Hasta ahora vimos como se realizaba el flujo de electrones a través de los componentes
de la cadena respiratoria. La pregunta que se plantea ahora es: de que modo este flujo
de electrones a través de la cadena respiratoria conduce la energía hacia la síntesis de
ATP? Es decir, cual es el mecanismo por el cual la energía liberada en una reacción
exergónica (oxidación de NADH y reducción de O2) se canaliza hacia (o bien se acopla
con) una reacción endergónica (condensación de ADP y Pi).
Teoría Quimiosmótica
Volvamos ahora a la búsqueda de una teoría que permita responder ¿De qué
manera la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria coopera con la
ATP-Sintetasa para producir la fosforilación de ADP produciendo ATP?
Se plantearon varias hipótesis para contestar este interrogante. Entre ellas, por
analogía con los mecanismos de “fosforilación a nivel de sustrato”, que vieron en la
glucólisis, se postuló la existencia de un intermediario químico de alta energía. En la vía
glucolítica, por ejemplo, el gliceraldehído 3-fosfato se oxida y se convierte en 1,3
difosfoglicerato, un compuesto con un grupo de alta energía en el sitio de oxidación.
Cuando este compuesto transfiere el Pi activado al ADP, se produce la síntesis de ATP.
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Esta idea dio origen a la llamada teoría de acoplamiento químico, según la cual, a
partir de la energía liberada en la transferencia de electrones a través de la cadena
respiratoria, se produce algún intermediario químico de alta energía. La energía de este
posible intermediario podría ser utilizada para la síntesis de ATP. A pesar de los múltiples
esfuerzos invertidos en la búsqueda de este posible intermediario químico, no se pudo
identificar ningún compuesto capaz de cumplir con esta función.
Durante la década del 60, Peter Mitchell, postuló una hipótesis alternativa que
permite explicar los resultados experimentales, y aún hoy, luego de más de cuatro
décadas de exhaustiva experimentación con técnicas cada vez más sofisticadas, es la
teoría más ampliamente aceptada. Según la teoría de Mitchell, también llamada teoria
quimiosmotica, la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria es
acompañada por el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio
intermembrana. Este mecanismo tiene como consecuencia la generación de una
diferencia en la concentración de protones a través de la membrana, es decir
un gradiente de pH (∆pH). Según la teoría quimiosmótica, esta energía del gradiente
electroquímico se utiliza para la síntesis de ATP catalizada por F1 cuando los protones
retornan pasivamente a la matriz mitocondrial a través del poro de protones del
componente Fo de la ATPsintasa.
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Cómo se logra la síntesis de ATP? Paul Boyer propuso el mecanismo de catalisis
rotacional. Como mencionamos en párrafos anteriores la parte principal del complejo F1
está formado por los tres dimeros αβ, esta unidad tiene forma de hexamero. La actividad
catalitítica de este hexamero está localizada en las subunidades β. Las subunidades γ y ε
están unidas al anillo c, y giran con él. Cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la
aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidads β del los
dímeros αβ, provocando la alteración de los centros de fijación de los nuceótidos situado
en β. Así, los centros de fijación de nucleótidos van alternando entre tres estados:
Estado O = estado abierto, L = unión libre y T= unión tensa (en inglés, tight)
La síntesis de ATP se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi. El siguiente estado es
la conformación T que sigue la condensación del ADP y Pi a ATP con la formación de un
enlace fosfodiéster. Finalmente, el estado O deja libre el producto ATP, y vuelve
nuevamente al estado L iniciando nuevamente la siguiente ronda de síntesis. Por lo
tanto, una rotación completa de la subunidad γ provoca que cada subunidad β se cicle a
través de sus tres conformaciones posibles y en cada rotación se sintetizan y se liberan
de la superficie del enzima tres moléculas de ATP. La interconverción conducida por
protones, direccional y cíclica, de los estados O, L y T, permite una producción continua.
Este mecanismo se conoce como mecanismo de cambio de la fijación.3
El paso dependiente de energía no es la síntesis de ATP sino su liberación de un lugar de
unión compacta. Esta liberación se produce por la rotación de γ que requiere energía,
que impulsa los cambios conformacionales de los dímeros αβ. Está liberación se produce
simultáneamente con la unión del ADP y el Pi, que se habían unido previamente, se unen
a un lugar T para experimentar una conversación espontánea a ATP, mientras que el
lugar O, del que se liberó el ATP, une otro ADP y Pi para empezar de nuevo el proceso
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que continúa el bombeo de protones por la actividad de la cadena de transporte de
electrones, el gradiente no sólo no se disipa sino que se va incrementando hasta que la
energía que se necesita (cada vez mayor) para bombear un protón hacia afuera en
contra de su gradiente, iguala o supera la energía que se obtiene en el transporte de
electrones. En esa situación, se interrumpe la transferencia de electrones, la energía libre
del proceso completo del flujo de electrones y el bombeo de protones se hace igual a
cero y por lo tanto se alcanza el estado de equilibrio.
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Rendimiento del acoplamiento entre la cadena respiratoria y açla fosforilación
oxidativa
Se puede observar sin embargo que cuando se usa malato como sustrato
oxidable, se producen 3 moles de ATP/mol de malato mientras que con el succinato se
obtienen 2 moles de ATP/mol de succinato. Esta experiencia nos indica que aún en
condiciones aisladas, las mitocondrias presentan consumo de O2 y son capaces de
realizar síntesis de ATP.
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Si ahora en un nuevo experimento se utiliza un electrodo de O2 que nos permita
medir los niveles de esta molécula en la suspensión de mitocondrias, es decir el consumo
de O2 mitocondrial y a distintos intervalos de tiempo a mas de determinar la cantidad de
O2 se toman muestras de la suspensión para determinar el contenido de ATP. Los
resultados transferidos a un eje de coordenadas serán (ver figura)
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Dado que la oligomicina sólo actúa directamente sobre la síntesis de ATP, la
demostración de que esta droga también bloquea el consumo de O2, implica que, en
condiciones fisiológicas, ambos procesos están obligatoriamente acoplados, es decir,
cada uno de estos procesos (transporte de electrones o síntesis de ATP) no ocurre si el
otro se ve alterado (síntesis de ATP o transporte de electrones) por algún motivo
particular.
Existen, sin embargo, ciertas condiciones y/o reactivos que permiten desacoplar la
oxidación de las coenzimas de la fosforilación del ADP. Por ejemplo, cuando las
mitocondrias aisladas se rompen mecánicamente o por el uso de detergentes, en los
fragmentos de membrana obtenidos se puede observar que persiste la transferencia de
electrones al O2, pero que no se produce la síntesis de ATP. Asimismo, ciertos
compuestos químicos pueden desacoplar ambos procesos sin romper la estructura
mitocondrial. Estos desacoplantes químicos incluyen ácidos débiles con propiedades
hidrofóbicas, como por ejemplo el 2,4-dinitrofenol (DNP) y compuestos denominados
ionóforos que se unen a iones inorgánicos y los rodean de una estructura hidrofóbica que
fácilmente atraviesa la membrana. Como se observa en la figura, cuando se agrega DNP
a una suspensión de mitocondrias, aún en presencia de oligomicina (que interrumpe la
síntesis de ATP), se restablece el consumo de O2.
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membrana celular provoca el influjo de iones, especial-mente de sodio y calcio
aumentando el volumen tisular. Las mitocondrias cardíacas pueden secuestrar el Ca2+,
que en baja concentración estimula el ciclo de Krebs y otras reacciones del metabolismo
oxidativo, pero a altas concentraciones activa una fosfolipasa que degrada lípidos de
membrana. El resultado es el hinchado de las mitocondrias y la pérdida de nucleótidos de
adenina y nicotinamida.
AH + BH2 + O - O ------> A- OH + B + H2 O
donde AH es el sustrato principal y BH2 es el cosustrato. Debido a que gran parte de las
monooxigenasas catalizan reacciones en las que se hidroxila el sustrato principal, a este
tipo de enzimas se las denomina también hidroxilasas u oxigenasas de función mixta (e
incluso se las llama oxigenasas de función mixta, si bien esta denominación no es
estricta).
Las diferentes monooxigenasas utilizan distintos cosustratos: nucleótidos de flavina
reducidos (FADH2, FMH2), NADH, NADPH.
Las reacciones de hidroxilación que catalizan estos complejos enzimáticos implican la
transferencia de electrones desde el cosustrato hacia el átomo de oxígeno que se reduce
a H2O. Esta transferencia no es directa sino que participan diferentes transportadores de
electrones. Estos transportadores se organizan formando una cadena de transporte de
electrones, pero en este caso como consecuencia de la transferencia de electrones a
través de estos intermediarios no se produce la síntesis de ATP. Por tal motivo a estos
complejos enzimáticos se los conoce como "cadena de electrones no fosforilantes".
Un gran número de estos sistemas utilizan como transportador de electrones a una
hemoproteína llamada citocromo P-450. Las reacciones de hidroxilación catalizadas por
monooxigenasas que emplean citocromo P-450 utilizan NADPH2 ó NADH. Estas
coenzimas transfieren los electrones hacia el citocromo P-450 a través de otro
transportador de electrones, generalmente una proteína Fe-S.
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Sistema de monooxigenasas del citocromo P450 microsomal
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MUTACIONES DEL ADN MITOCONDRIAL
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El ADN mitocondrial está afectado por mutaciones somáticas
Las alteraciones del ADN mitocondrial suelen heredarse pero, en algunos casos, son
también el resultados de mutaciones espontáneas durante el desarrollo embrionario o de
mutaciones somáticas en el curso de la vida. La acumulación de mutaciones somáticas
explica porque frecuentemente las enfermedades tardan años en manifestarse y se
agravan con el paso del tiempo. Pero la acumulación aleatoria de mutaciones somáticas
disminuye más la producción de energía hasta que el nivel de energía desciende hasta
valores no compatibles con el funcionamiento normal. Es decir, existe un umbral de
deterioro del ADN mitocondrial por encima del cual la manifestación fenotípica de la
enfermedad aumenta marcadamente.
MITOCONDRIOPATIAS
Las mitocondriopatías son un grupo de enfermedades que resultan de la alteración
estructural, bioquímica o genética de las mitocondrias, como resultado de mutaciones
localizadas en los genes nucleares o en los genes mitocondriales. Las
mitocondriodriopatías, también conocidas como miopatías mitocondriales o enfermedades
mitocondriales, son un grupo diverso de alteraciones que resultan de la alteración
genética, estructural o bioquímica de las mitocondrias. Las manifestaciones clínicas de
estas enfermedades son muy variadas, entre las más comunes se encuentran: deterioro
de funciones mentales, alteraciones motoras, fatigabilidad, intolerancia al ejercicio,
accidentes cerebrovasculares, epilepsia, oftalmoplegía, ptosis, retinitis pigmentaria,
hipoacusia, ceguera, cardiopatía, falla hepática y pancreática, anemia sideroblástica,
pseudo-obstrucción intestinal, acidosis metabólica y otras.
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¿Qué ocurre en el caso de un niño/a que nace con una enfermedad
mitocondrial?
El niño puede ya nacer con problemas, ya que la energía es necesaria para todos los
procesos vitales. No obstante, las enfermedades mitocondriales pueden manifestarse a
cualquier edad, en cualquier órgano o tejido que requiera energía, aún cuando los
síntomas predominantes son neuromusculares. Posibles manifestaciones clínicas son la
hipotonía, dificultad respiratoria, acidosis láctica, cardiopatía, miopatía, ataxia, retinitis,
etc…
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coenzima Q, idebenone, succinato, menadion, riboflavina, nicotinamida, vitamina E, ácido
ascórbico, tiamina y L-carnitina.
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