Todas las plantas, animales y muchos microorganismos aprovechan la inestabilidad del oxígeno para impulsar los procesos vitales. Las moléculas de los alimentos se oxidan y la energía se utiliza para construir nuevas moléculas, nadar o arrastrarse y reproducirse. Sin embargo, los alimentos no se oxidan al quemarse en nuestro cuerpo . Se oxidan de diversas maneras. pasos, cada uno de los cuales está cuidadosamente controlado y diseñado para capturar la mayor cantidad de energía disponible posible.
La citocromo c oxidasa controla el paso final de la oxidación de los alimentos. En este punto, el átomo se ha eliminado por completo, dejando solo unos pocos electrones de la molécula de alimento. La citocromo c oxidasa (mostrada aquí) adquiere estos electrones y los une a la molécula de oxígeno. Posteriormente, se añaden también algunos iones de hidrógeno, formando dos moléculas de agua.
La citocromo c oxidasa (C c O) es la enzima terminal de la cadena respiratoria mitocondrial y también se utiliza en la terapia con luz roja e infrarroja cercana (PBM). Su objetivo principal es regular el metabolismo celular. Esta terapia no invasiva utiliza luz roja (LR) a 620-700 nm y luz infrarroja cercana (NIR) a 700-1440 nm. Se utiliza ampliamente en áreas como la cicatrización de heridas, la antiinflamación y la reparación nerviosa.
1. CCO: El "guardián" de la conversión de energía celular
El CCO es un complejo proteico clave (peso molecular aproximado de 200 kDa) en la membrana mitocondrial interna y consta de 13 subunidades con un centro activo que contiene hemo a y un centro iónico de cobre (CuB). Durante la respiración celular, cataliza dos procesos clave :
Transporte de electrones: el cambio redox de los átomos de hierro en el hemo, que transfiere electrones a las moléculas de oxígeno y las reduce a agua;
Bombeo de protones: los protones (H⁺) en la matriz se bombean hacia la membrana mitocondrial. espacio para establecer un gradiente electroquímico transmembrana.
4 Fe² + 8 H + + O₂→ 4 Fe3 + + 2 H2O + 4H +
Este proceso total es fundamental para la tercera etapa de la respiración aeróbica. Por cada 4 electrones transferidos, se reduce una molécula de O₂ y se liberan 4 protones simultáneamente, lo que impulsa a la ATP sintasa a producir trifosfato de adenosina (ATP). Aproximadamente el 90 % de la energía producida por la glucosa a través del ciclo del ácido glucolítico-tricarboxílico depende del gradiente de protones establecido por el C₂₂O .
2. Propiedades fotobiológicas del C c O: cómo la luz roja “activa” las mitocondrias
(1) Mecanismo de bombeo de protones de C c O
El CCO impulsa el bombeo de protones, que es una de las funciones más sutiles del citocromo c . Oxidasa (C c O), cuya esencia es convertir la energía liberada por la transferencia de electrones en un gradiente de protones transmembrana, impulsando así la síntesis de ATP.
En el centro activo del C c O, los iones de cobre (CuB) y los iones de hierro (hemo a3-Fe) juntos forman un centro dinuclear, que experimenta cambios de valencia sinérgicamente durante el proceso de reducción de oxígeno, impulsado por el transporte de electrones y los procesos de reducción de oxígeno.
Hemo a₃-Fe Fe²⁺↔Fe³⁺↔Fe 4+
controla la apertura y el cierre del canal D (inhalación de protones)
Cuʙ Cu⁺↔Cu²⁺
desencadena el almacenamiento/liberación de energía Glu²⁸ ⁶ (bombeo de protones)
El papel de las estructuras moleculares clave
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Estructura |
función |
La luz roja regula el objetivo.
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Canal D |
El camino de los protones que entran desde la matriz
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Mejora de la flexibilidad conformacional
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Glu ²⁸⁶
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"Resortes moleculares" que almacenan energía
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La energía de vibración aumenta
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Hemo a₃-Cuʙ
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Sitios de unión y reducción de oxígeno
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NO disociación
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Tyr 244
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Un intermediario que entrega protones al oxígeno.
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El redox acelera
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(2) C c O absorbe fotones para iniciar una transición de electrones
Los centros hemo a y de cobre del C c O son los principales absorbentes de la luz roja e infrarroja cercana. Cuando la energía de un fotón coincide con la diferencia entre el nivel de energía de su electrón, este pasa al estado excitado, iniciando la siguiente reacción en cadena que desencadena la disociación del NO.
◦ El centro activo del estado fundamental C c O es inhibido por la unión del óxido nítrico (NO) (≈ 60% de la actividad enzimática está bloqueada)
◦ Los fotones rojos son absorbidos por el hemo a → Los electrones pasan del estado fundamental (S ₀ ) al estado excitado (S₁)
◦ Las energías del estado excitado debilitan la energía de enlace Fe²⁺-NO y disocian el NO ( Lane, 2006 )
◦ Se restablece la actividad enzimática y aumenta la tasa de metabolismo del oxígeno.
Ruta de conversión de energía:
Energía del fotón → Excitación electrónica ( grado femtosegundo ) → Relajación vibracional ( grado picosegundo ) → Cambio conformacional (orden milisegundo) → Mejora del bombeo de protones
Esencia: La energía luminosa se convierte en energía intramolecular (vibración/rotación), que a su vez impulsa las funciones biológicas.
La luz roja acelera este ciclo al reducir la barrera energética del transporte de electrones y mejora la eficiencia del establecimiento del gradiente de protones.
Inyección acelerada de electrones
• La luz roja (620–850 nm) es absorbida por los centros hemo a y Cuʙ del CCO
• Barrera de transporte de electrones reducida, lo que facilita el flujo de electrones desde el citocromo c al Cuʙ/hemo a₃
• Resultados: La tasa de reducción de Fe³⁺→ Fe²⁺ aumentó de 2 a 3 veces
La tasa de reducción de Cu²⁺→ Cu⁺ aumentó entre 1,8 y 2,5 veces
Evidencia experimental: La tasa de transferencia de electrones de C c O aumentó de 220 e⁻/s a 480 e⁻/s después de la irradiación láser de 808 nm ( Karu, Photomed. Laser Surg. 2010 )
Eliminación de la inhibición de NO (mejora indirecta)
• Efecto bloqueador del NO:
El NO se une al Fe²⁺→ bloqueando la unión del O₂
El NO se une al Cu⁺ → inhibiendo el transporte de electrones
• El papel de la luz roja:
Energía del fotón (1,5–2,0 eV) → debilita el enlace metal-NO → disociación
Resultados: Fe²⁺ restauró la energía de enlace de O₂ Cu⁺ restauró la función de transporte de electrones
Datos: La irradiación de luz de 660 nm aumentó la tasa de disociación de NO . ( Cheng K et.al, 2021 )
El efecto de la ventana de parámetros clave: El efecto del PBM es bifásico (curva de Arndt-Schulz). Dosis bajas (densidad energética de 1 a 5 J/cm²) estimulan la actividad celular, mientras que dosis altas (>100 J/cm²) inhiben su función. Por ejemplo, a longitudes de onda de 660 nm y 810 nm, el C₃O absorbe fotones con mayor eficiencia.
resumen
1. Papel biológico del C c O
Como enzima terminal en la cadena respiratoria mitocondrial, cataliza la reducción de moléculas de oxígeno a agua (4e⁻+ 4H⁺+ O₂→ 2H 2 O), mientras bombea protones para establecer un gradiente transmembrana que impulsa la síntesis de ATP del 90%.
2. El camino de la luz roja para activar el C c O
Absorción de fotones: Hemo a/ CuB absorbe luz roja → transición de electrones → debilita el enlace Fe²⁺-NO → alivia la inhibición de NO.
Recuperación de la actividad enzimática: transporte de electrones acelerado (aumento de 2 a 3 veces en la velocidad) y bombeo de protones para mejorar la producción de ATP.
3. Diferencia de intensidad
Longitudes de onda óptimas: 660 nm (rojo) y 810 nm (infrarrojo cercano). Densidad energética óptima: 1–5 J/cm² (activación a baja dosis, inhibición a alta dosis).
Referencias clave:
1. Karu, T. (1999). Mecanismos de acción primarios y secundarios de la radiación visible a la infrarroja cercana sobre las células . Revista de Fotoquímica y Fotobiología B: Biología, 49(1), 1–17.
2. Poyton RO, Ball KA. Fotobiomodulación terapéutica: óxido nítrico y una nueva función de la citocromo c oxidasa mitocondrial. Discov Med. Febrero de 2011;11(57):154-9. PMID: 21356170.
3. Karu, TI (2010). Señalización mitocondrial en células de mamíferos activadas por radiación roja e infrarroja cercana. Fotomedicina y Cirugía Láser, 28(2), 159-160.
4. Wong-Riley, MT et al. (2005). La fotobiomodulación beneficia directamente a las neuronas primarias funcionalmente inactivadas por toxinas. Journal of Biological Chemistry, 280(6), 4761–4771.
5. Lane, N. (2006). Biología celular: Juegos de poder. Nature, 443(7114), 901–903.
6. Cheng K, Martin LF, Slepian MJ, Patwardhan AM, Ibrahim MM. Mecanismos y vías de la fotobiomodulación del dolor: Una revisión narrativa. J Pain. Julio de 2021;22(7):763-777. doi: 10.1016/j.jpain.2021.02.005. Publicación electrónica: 23 de febrero de 2021. PMID: 33636371; PMCID: PMC8277709.
