Es generalmente conocido que los mamíferos y las aves son de sangre caliente, y que son capaces de mantener tal estado no sólo en el confort, sino en condiciones de baja y alta temperatura. Estas circunstancias, con toda probabilidad, fueron el requisito previo para el desarrollo de ideas sobre la existencia de un organismo de sangre caliente sistema especial de generación de calor. Actualmente, se acumuló mucho material en esta dirección, que muestra que la producción de calor está determinada por mecanismos subcelulares especializados. Posee varias actividades que difiere significativamente en filogenéticamente diferentes clases de vertebrados, en la ontogénesis de los mamíferos y las aves en varios estados de un organismo. Por lo tanto, los animales de sangre caliente fueron asignados a un grupo separado que posee un alto metabolismo y soporta una temperatura corporal constante y alta (alrededor de 36°C-40°C). El otro grupo incluye a los animales de sangre fría con un metabolismo bajo y una temperatura corporal cambiante. Para clasificar a los animales según su estado de temperatura en la literatura moderna se utiliza ampliamente el término de «animales de sangre caliente y de sangre fría», «animales homeotermos y poiquilotermos», «animales ectotérmicos y endotérmicos». En la práctica, estos grupos son términos que a menudo se utilizan indistintamente aunque tengan un significado diferente. Nosotros también los utilizaremos en términos inequívocos, aunque principalmente utilizamos el término de «ectotermia y endotermia». Las diferencias en el nivel de metabolismo entre los organismos endo y ectotérmicos en promedio en 10 veces, pero en algunos casos llega hasta 100 o más veces.1-10 Esta comparación muestra que el mantenimiento del estado endotérmico se logra por un alto costo. Posiblemente, hasta el 90%, y a veces la mayor parte del metabolismo se gasta sólo en la producción de calor para mantener el estado endotérmico del organismo. Krogh11 fue uno de los primeros en notar una tasa metabólica más baja en los animales de sangre fría en comparación con los de sangre caliente. Sin embargo, tardó mucho tiempo en aclarar completamente la cuestión sobre la diferencia entre los organismos de sangre fría y los de sangre caliente en el metabolismo y la producción de calor.
En los animales poiquilotérmicos, a diferencia de los de sangre caliente, el metabolismo depende de las condiciones externas y puede aumentar a medida que aumenta la temperatura ambiente. En este caso, en consecuencia, la temperatura corporal de los de sangre fría puede aumentar. En muchos casos, el estudio del metabolismo de los animales de sangre fría se realiza a la temperatura óptima de estos animales. Sin embargo, los resultados de tales estudios son difíciles de comparar con los obtenidos para los de sangre caliente, ya que la temperatura corporal de los animales es muy diferente (en los de sangre fría – unos 20°C, en los de sangre caliente – unos 37°C). Teniendo en cuenta esta circunstancia, se realizaron estudios especiales de animales ectotérmicos a una temperatura corporal de 35-37°C.8 Su metabolismo en estas condiciones difiere unas 10 veces del nivel de metabolismo de los animales endotérmicos. También hay que señalar que la intensidad del metabolismo de los organismos endotérmicos y ectotérmicos disminuye con el aumento del peso corporal, aunque la inclinación de la curva de regresión es aproximadamente la misma para estos grupos de animales.11-13 La dependencia del metabolismo del peso corporal se reconoce como válida en general para los animales de sangre caliente y fría12 , aunque hasta la fecha se ha llevado a cabo una discusión sobre sus aspectos individuales.14 Como se ha descrito anteriormente, en la comparación de los animales de sangre fría con los de sangre caliente hay que considerar estrictamente la igualdad de su peso. En la intensidad de la producción de calor los animales endotérmicos y ectotérmicos varían en 5-10 veces a la misma temperatura de su cuerpo8,15,16 a la temperatura corporal óptima en los de sangre fría (20°C), difieren en 40-50 veces a 10°C de sangre fría difiere aproximadamente 100 veces.8
Algunas investigaciones se centran en el análisis del coste energético de la locomoción (consumo de energía a por unidad de velocidad de movimiento kg de peso corporal) en los animales endotérmicos y ectotérmicos. Según los datos obtenidos el coste energético de la locomoción en 2-10 veces mayor en los animales endotérmicos que en los ectotérmicos. Como se desprende de lo anterior, la diferencia más significativa de los animales ectotérmicos con respecto a los endotérmicos es la capacidad de los primeros de gastar considerablemente menos energía para las funciones vitales en calma y durante la activación de los procesos fisiológicos. Por lo tanto, basándose en la investigación de los de sangre fría, la actividad vital parece un proceso energéticamente no derrochador. Sin embargo, al considerar a los de sangre caliente aislados de los de sangre fría, la provisión de funciones vitales parece ir acompañada de un gran consumo de energía. En la evolución de los organismos, aparentemente, pueden ocurrir algunos cambios en el suministro de energía de las funciones básicas, en particular, la aparición de una nueva función energética en el organismo – proporcionar sangre caliente. Esta circunstancia podría ser la causa principal de la diferencia cualitativa entre los animales endo y ectotérmicos en la intensidad del metabolismo. La investigación fisiológica de los animales ecto y endotérmicos sirvió como requisito previo para el desarrollo de las bases bioquímicas de la termogénesis. Como resultado, se han propuesto varios puntos de vista bioquímicos sobre el origen de la endotermia de los organismos.
Eficacia del funcionamiento de la cadena respiratoria y de la termogénesis
Durante mucho tiempo entre los investigadores existía un punto de vista muy popular sobre la baja eficacia de las reacciones energéticas en los tejidos como fuente de producción de calor. Sobre la base de los datos sobre el valor de la energía libre estándar de la hidrólisis del ATP (ΔG), muchos investigadores creían que aproximadamente la mitad de la energía de la oxidación de los sustratos en la síntesis del ATP en la mitocondria se disipa la forma de calor, y los procesos dependientes de la energía, reciclando el ATP, disipan aproximadamente otra mitad de la porción de energía restante. Las pérdidas totales de energía para la producción de calor serían de alrededor del 70-80% de la energía inicial de la oxidación del sustrato. Sólo alrededor del 20% de la energía se almacena en procesos biológicos útiles.17-24
Como definición de la energía libre ΔG ha mostrado el contenido de ATP/ADP y fosfato en los tejidos, su valor es mucho mayor que la energía libre estándar de la hidrólisis de ATP y aproximadamente correspondía a los valores de13-16 kcal/M de ATP.18,20-31 Estos resultados indican que la organización del sistema energético celular se adaptó para mantener un alto nivel de energía libre de hidrólisis de ATP en los tejidos. Con valores celulares de energía de hidrólisis de ATP (13-16kcal/M) y nivel de equilibrio de los reactantes, la eficacia de la cadena respiratoria, es decir, la eficiencia, puede ser superior al 80%. En la actualidad, los investigadores no consideran la síntesis e hidrólisis del ATP como una fuente importante de termogénesis. También hay que recordar que si estos procesos ocurren en organismos de sangre fría, eso estaría en contradicción con la concepción de la baja eficiencia de los procesos biológicos.
El papel de la biosíntesis de proteínas en la termogénesis
Se ha investigado la alta actividad de la síntesis de proteínas en los organismos de sangre caliente como el principal factor de gasto energético. Teniendo en cuenta la alta energía de la hidrólisis de los enlaces peptídicos en las proteínas (alrededor de 4 kcal por mol), Racker21 sugirió la posibilidad de utilizar la célula en funcionamiento hasta el 90% de la energía total del metabolismo para la síntesis de proteínas. En este sentido, se han realizado estudios para evaluar el valor energético de la biosíntesis. Sobre la base de la cuenta de la acumulación de una masa corporal creciente y los cambios del nivel de metabolismo basal se encontró que el proceso de biosíntesis es responsable de la utilización de una pequeña proporción del metabolismo de la energía, es decir, 2-3%.32,33 El uso de un inhibidor de la síntesis de proteínas a un organismo de sangre caliente mostró que en condiciones de metabolismo basal se suprime a un pequeño (a 5%) valor.34
El papel de la Na, K-ATPasa
Un número de investigadores, basados en los resultados experimentales, llegan a la conclusión de que el 40-50% de la energía del metabolismo basal se gasta en el funcionamiento de la Na, K-ATPasa.35-42 Sin embargo, de acuerdo con los cálculos de Van Rassum42 la parte de la respiración de transporte-conjugado en las rebanadas de hígado no es el 40% como se considera Ismail-Beigi, et al.38,39 pero sólo alrededor del 3-6% del gasto energético total del tejido. Aproximadamente el mismo tamaño (2-6%) de consumo de energía de la Na, K-ATPasa se da en otros trabajos.43-46 Se muestra que la tasa de respiración en los tejidos de los ratones es 2-5 veces mayor que la de los reptiles, mientras que la parte sensible a la ouabaína de la respiración, asociada con la operación de la Na, K-ATPasa en los tejidos de los ratones es 4-9 veces mayor que en los reptiles.15
La producción de calor y la complejidad de la organización de los vertebrados
Barton y Edholm47,48 creen que la sangre caliente de los animales está ligada a la complejidad de la organización y que el mantenimiento de esta organización requiere cierto gasto de energía. Sin embargo, el nivel metabólico basal y la respiración tisular en los grandes vertebrados es menor que la de los pequeños, aunque la organización de los primeros es mayor. En consideración a estos hallazgos, Dolnik16 y Schmidt-Nielson9 expresan la opinión de la pequeña dependencia de la intensidad del metabolismo en el cuerpo del nivel de organización de los animales.
Ciclos de sustrato (fútiles) y termogénesis
Según la concepción de Newskholm49,50 un elemento obligatorio de la regulación metabólica deben ser los «ciclos de sustrato». Su eficacia reguladora, según consideraciones teóricas, es mucho mayor que la forma alostérica de regulación. Sin embargo, es necesario un gasto constante de energía en forma de ATP. En la actualidad existen los siguientes «ciclos de sustrato» principales: I) el ciclo de la fosfofructoquinasa/fructosodifosfatasa (PFK/ FBP); 2) el ciclo de los ácidos grasos triglicéridos. Newsholm et al.,49 señalaron que «el ciclo del sustrato PFK/FBP en su trabajo máximo es capaz de reciclar alrededor del 10% del ATP celular. En términos reales, este valor debería ser mucho menor». Otros autores expresan una opinión similar. Así, se cree51,52 que «los ciclos de sustrato (fútiles) en el tejido de los animales normales consumen menos del 5% del ATP». Esta proporción, según Katz y Rogenstad51 es menor en la dieta de carbohidratos. Kummel52 opina que el «ciclo de sustrato» de las funciones PFK/FBP en los tejidos es bastante estable a diferentes tasas de gluconeogénesis y que no es un mecanismo universal de regulación del metabolismo en los tejidos. Otro ciclo de sustrato, el de los triglicéridos/ácidos grasos, se considera importante en la regulación del metabolismo oxidativo de los lípidos 50 y también está asociado a la utilización del ATP. Según los datos experimentales, los ciclos de los sustratos in vivo están cerca del estado de equilibrio. En consecuencia, estos ciclos pueden proceder sin disipar la energía del ATP en forma de calor.50,53
El fenómeno de la actividad aeróbica
Bennett, Ruben8,16 en la interpretación de la naturaleza de la homeotermia, prestan más atención al fenómeno de la «actividad» del metabolismo aeróbico. En particular, los autores creen que la sangre caliente se debe a un alto metabolismo aeróbico. Su nivel es hasta 5-10 veces superior al de los animales de sangre fría en las mismas condiciones de temperatura corporal de los animales comparados. Según ellos, la actividad aeróbica es la base del aumento de la energía corporal necesaria para el rápido movimiento de locomoción de los mamíferos54 y para el vuelo de las aves.16 Discutiendo el papel de los posibles factores que contribuyen al fenómeno «actividad» Bennett8 considera que son de gran importancia factores como la activación del metabolismo aeróbico, la evolución de la circulación sanguínea y del sistema respiratorio en los vertebrados, así como el aumento de la concentración de mitocondrias. En algunos trabajos55,56 se estudió la superficie pulmonar y se obtuvieron datos que se correlacionaban con la intensidad del metabolismo animal. También se atribuye gran importancia al flujo sanguíneo como factor que determina la eficacia del metabolismo, ya que en los animales de sangre caliente su tasa es varias veces mayor que en los de sangre fría.57,58
También se sugirió que en la evolución de los animales de sangre caliente aumenta el número de mitocondrias y su densidad en los tejidos. Sin embargo, según Savina59 muchos animales de sangre fría que viven en aguas con bajo contenido de oxígeno tienen un gran número de mitocondrias en los tejidos. En consecuencia, el número de mitocondrias puede participar en diferentes procesos. Hay que decir que los sistemas mencionados de los animales de sangre caliente tienen como objetivo más probable mantener el metabolismo de los tejidos, especialmente a nivel celular y mitocondrial. Los hechos mencionados muestran que la eficiencia de muchos procesos energéticos en un organismo es alta. Suponer que la endotermia de un organismo se debe a la formación de calor a expensas continuamente (y con baja eficiencia) del flujo de procesos energéticos es un punto de vista poco fundamentado. En contra de este punto de vista viene el hecho de la existencia de animales de sangre fría, en cuyo organismo los procesos energéticos también proceden continuamente. Sin embargo, tienen una intensidad de metabolismo relativamente menor que en los animales de sangre caliente. Estas suposiciones permiten pensar que la sangre caliente puede ser causada por un sistema especial de producción de calor que ha surgido en estos organismos durante el proceso de evolución.
Fuga de protones, desacoplamiento de la respiración de las mitocondrias y termogénesis
En consideración a la estrecha relación de los mecanismos subcelulares con la termogénesis, se han realizado una serie de estudios en esta dirección utilizando enfoques bioquímicos, biofísicos y genéticos. En general, los trabajos experimentales se han realizado a nivel mitocondrial y celular, y en algunos trabajos utilizando organismos endo y ectotérmicos. Uno de los enfoques importantes en esta dirección es el estudio del proceso de fuga de protones de las mitocondrias causado por el aumento de la permeabilidad de su membrana interna. La fuga de protones está causada por proteínas de membrana específicas-desacopladores (proteínas desacopladoras-UCP) localizadas en las membranas mitocondriales internas. Hasta la fecha, se han identificado varias especies de proteínas en diversos tejidos, que se designan como UCP1, UCP2, UCP3y UCP4.60 Contribuyen a la difusión del gradiente de protones en la membrana mitocondrial, creado por la energía de la oxidación de los sustratos. La difusión del gradiente de protones es una fuente de calor biológico, proporcionando la producción de calor del organismo endotérmico.61,62 La fuga de protones a través de los poros de las UCP se produce a un alto potencial de membrana de las mitocondrias y tiene una conexión no óhmica con la conductividad de la membrana.61 La reducción gradual del potencial de membrana reduce simultáneamente la fuga de protones que podría mejorar la síntesis de ATP. Según la opinión de los investigadores de este problema, la fuga de protones en su conjunto puede ocupar alrededor del 25-40% de la tasa total de respiración de las mitocondrias y, en consecuencia, del organismo. Creemos que este valor es bastante bajo, ya que la producción de calor en los organismos endotérmicos puede gastar hasta el 90% de la energía total. Es posible admitir la existencia de una parte de la respiración de las mitocondrias independiente del potencial de membrana. En particular, se realiza una alta respiración de desacoplamiento en las mitocondrias de la grasa parda en la oxidación de varios sustratos.63-66 Es particularmente alta la V4 en la oxidación del succinato, no suprimida por la oligomicina y el carboxiatrilósido. Anteriormente se encontró una alta respiración desacoplada durante la oxidación de NADH en las mitocondrias de los músculos esqueléticos 67-74 se encontró la ATPasa desacoplada, que puede estar cerca del problema de la termogénesis.
Se realizó una comparación en la filogenia de diferentes grupos de animales. En los reptiles se ha encontrado que la fuga de protones en los hepatocitos y sus mitocondrias es menor que en los mamíferos, aunque la diferencia es insignificante.75 Estos datos, en conjunto con otros76 eran poco consistentes con la idea del papel termogénico de las UCPs en el organismo. Por lo tanto, se estudió la posibilidad de que el anión-translocador ANT es juega el papel importante en los tejidos de la termogénesis. Así, al comparar los organismos endo y ectotérmicos, se ha demostrado que el valor de la conducción de protones está bien correlacionado con la cantidad de transportadores de aniones mitocondriales, en particular, con la cantidad de adenina nucleótido-translocase (ANT).77,78 que representa el 75% de la fuga basal de protones. La proteína de desacoplamiento UCP1 de las mitocondrias de la grasa parda también contribuye de forma definitiva hasta el 8%. Se supone que la ANT no determina la totalidad de la fuga basal de protones (metabolismo en reposo), ya que ni el carboxitraquilósido (inhibidor de la ANT) ni el GDP (inhibidor de las UCP) suprimen significativamente el proceso de fuga de protones, por lo que también es posible la participación de otros aniones-translocadores mitocondriales.
Estas representaciones se ven corroboradas por una comparación experimental de la conductividad de protones de los hepatocitos de mamíferos y reptiles. En estos últimos, la tasa de consumo de oxígeno es 4-5 veces más débil, lo que se correlaciona con un nivel 4 veces menor de ANT en los reptiles. Por lo tanto, se considera que la cantidad de ANT en las mitocondrias de los hepatocitos de mamíferos es un importante modulador de la termogénesis a nivel celular.79 También hay que tener en cuenta que en estos trabajos examinados se cree que todas las poblaciones de mitocondrias participan en el proceso de fuga de protones que pasa por varias etapas.80 Varios trabajos indican que la contribución de la fuga de protones en el metabolismo de muchos tejidos es de alrededor del 25%, y el nivel del músculo esquelético llega hasta el 50%. Es deseable continuar los estudios en este sentido, pero esta contribución no explica la diferencia del metabolismo entre los organismos endo y ectotérmicos, difiriendo en el rango de 10 veces ( o más) en el metabolismo estándar.
Se ha demostrado una participación de las UCPs en la termorregulación, la obesidad, las enfermedades, el envejecimiento, así como en la regulación del nivel de superóxido.81,82 En este grupo de investigaciones de la fuga de protones, como sustrato para la oxidación se utilizan separados (principalmente succinato). El valor obtenido de la fuga de protones puede suponer un gasto energético de alrededor del 25%. En nuestra opinión, no es suficiente para la producción de calor necesaria para mantener la endotermia del organismo. Otra opción para resolver el problema de la termogénesis biológica se lleva a cabo a nivel mitocondrial y celular utilizando otras variaciones de los enfoques metodológicos, que permitieron considerar la vía mitocondrial de la termogénesis desde otras posiciones. En estos estudios se utilizaron mitocondrias aisladas de diferentes tejidos de animales endo y ectotérmicos. Para esbozar brevemente el panorama general de la investigación, describimos aquí los resultados obtenidos en las mitocondrias y en las células del corazón de rata (cardiocitos). En esta serie de investigaciones se discute la existencia en los tejidos de dos tipos de mitocondrias; una de ellas se acopla a la síntesis de ATP, el segundo tipo no se acopla y cumple la función termogénica. Es importante señalar que los sustratos de oxidación mitocondrial fueron succinato exógeno, NADH (+ citocromo c), ascorbato (+ citocromo c). En primer lugar hay que decir que los sustratos dependientes de NAD (glutamato, malato+piruvato) se oxidaron en estas preparaciones tisulares con un gran control respiratorio (RC V3/V4). Las características específicas de la oxidación de los tres primeros sustratos fueron interesantes. Así, con el succinato la tasa de respiración se produjo a un ritmo mayor que el V4. Este hecho ampliamente conocido es interpretado por nosotros como una señal de su oxidación simultánea en dos tipos de mitocondrias, acopladas y desacopladas con la síntesis de ATP. Esta explicación fue confirmada por un análisis de la naturaleza de la oxidación de otros sustratos. Resultó que el NADH exógeno (+ citocromo c) y el ascorbato (+ citocromo c) son oxidados intensamente tanto por las preparaciones de mitocondrias aisladas como por las preparaciones celulares.69,70,83,84 El proceso procede sin la fosforilación del ADP añadido, por lo que la oligomicina o el carboxiatactilósido no afectan a la dinámica de su oxidación. Además, la respiración es inhibida por la rotenona (1μg/ml) en aproximadamente un 90% en el primer sustrato y por el cianuro de sodio (1mM) en todos los sustratos. En consecuencia, su oxidación se produce a lo largo de la cadena respiratoria mitocondrial principal.
Los resultados obtenidos permitieron postular que en las preparaciones estudiadas de tejidos contienen no sólo mitocondrias fosforilantes, sino también no fosforilantes (no acopladas). La función biológica de la respiración no acoplada puede ser la producción de calor, como se ha demostrado anteriormente una débil expresión de esta forma de respiración en las mitocondrias cardíacas y hepáticas de la rana de sangre fría.84 También se ha demostrado que en las mitocondrias de las ratas de sangre caliente la respiración no acoplada es mayor en las mitocondrias cardíacas que en las hepáticas. En nuestro modelo de respiración84 existe un grupo de mitocondrias desacopladas, junto con un grupo de fosforilantes, lo que permite explicar las características de la oxidación de diferentes sustratos en la suspensión de mitocondrias y células. Además, incluso si la cantidad de mitocondrias no acopladas en la suspensión es de aproximadamente el 50%, esto no afectará significativamente al potencial de membrana total de la suspensión mitocondrial y reducirá su valor en aproximadamente un 18% según la fórmula de Nernst. En conclusión, se puede decir que el estudio del problema de la termogénesis en los organismos endotérmicos tiene una historia compleja. ¿Cómo pudo la naturaleza transferir el organismo del animal de sangre fría a sangre caliente? ¿Cómo pudo elevar el nivel del metabolismo básico a diez o más veces? Más posiblemente, una transformación importante ocurrió en la evolución a nivel de las mitocondrias de los tejidos una creación del sistema de fuga de protones y en las mitocondrias no acopladas (junto con las fosforilantes) en los tejidos de mamíferos y aves.
Hay que decir que nuestro concepto de desacoplamiento de la respiración de las mitocondrias difiere del literario. Sin embargo, es posible encontrar un lado común para los dos últimos puntos de vista, que hablan de la fuga de protones y la respiración desacoplada de las mitocondrias. En nuestra opinión, el lado común para ellos es la fuga de protones. Nuestro punto de vista postula la existencia de dos tipos de mitocondrias. Una de ellas sintetiza ATP, mientras que el otro tipo tiene una alta permeabilidad de membrana para muchos sustratos y lleva a cabo la fuga de protones durante la oxidación de diferentes sustratos. Según nuestra hipótesis, las UCPs pueden estar localizadas en el segundo tipo de mitocondrias. Desafortunadamente, nuestro esquema publicado84 no ha sido discutido hasta ahora en la literatura moderna. En nuestra opinión, la comprobación de nuestros resultados por parte de otros investigadores podría ayudar a discutir ideas y a resolver una serie de dificultades que surgen en esta dirección.
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