Concepto: son
orgánulos citoplasmáticos rodeados por dos membranas capaces de llevar a cabo
todos los procesos de oxidación de la célula para formar ATP. El conjunto de
mitocondrias que posee una célula se denomina condrioma.
Historia: En 1890
Altmann fue el primer científico que las describió y las denominó bioblastos
porque pensaba que eran organismos vivos que parasitaban las células. En 1897
Benda las denominó mitocondrias. En 1908 Meves las denominó condriosoma y posteriormente
Michaelis consiguió teñir a esos orgánulos con un colorante vital, que no mata
a la célula, denominado verde Jano que supuso un gran avance para el
conocimiento de las mitocondrias ya que con ese colorante se pueden ver a
microscopía óptica y con un microscopio adecuado (por ejemplo con contraste de
fases) se puede observar que las mitocondrias son estructuras dinámicas que se
mueven dentro de la célula, además de fusionarse y de dividirse.
Estructura y
ultraestructura:
- Número: el
número de mitocondrias que presenta una célula es muy variable de un tipo
celular a otro. En los hepatocitos presentan alrededor de 1000 mitocondrias por
célula. Son más abundantes en células musculares, túbulos del riñón; siempre
que la célula necesite mucha energía va a haber muchas mitocondrias. Incluso
dentro del mismo tipo celular puede variar el número de mitocondrias.
- Distribución:
se distribuyen por todo el citoplasma. Por ejemplo en las células musculares
debido a su función, a la contracción de la actina y de la miosina se
encuentran entre los filamentos de actina y de miosina.
- Forma: su
forma es muy variable. Normalmente presentan apariencia de bastones con los
extremos redondeados, presentan multitud de formas porque la forma cambia
constantemente y dependiendo del estado funcional también su forma es variable.
Se presentan en dos estados morfológicos distintos: estado convencional y
estado condensado cuando se lleva a cabo la síntesis de ATP.
- Tamaño: el
tamaño medio que presentan las mitocondrias varía entre 0,5-1 m su diámetro
pequeño y entre 1-7 m su diámetro mayor, aunque por ejemplo en las células
musculares las mitocondrias pueden llegar a tener 10 m de longitud.
- Ultraestructura:
Las dos membranas suelen tener un espesor de 7 nm y tienen la estructura típica
de las membranas biológicas. Si se hace un tratamiento previo a la microscopía
electrónica con el ácido fosfotungstico, al microscopio electrónico se pueden
observar en la membrana mitocondrial interna la presencia de unas partículas
que tienen un pedúnculo anclado a la membrana mitocondrial interna y una cabeza
mirando hacia la matriz mitocondrial, son las ATP-sintetasas también llamadas
partículas elementales, que se encargan de la síntesis de ATP.
Las crestas mitocondriales son un sistema para aumentar la
superficie de la membrana mitocondrial interna donde va a tener lugar el
procesos de reacciones para la síntesis de energía. Nunca llegan a atravesar
toda la matriz y normalmente aparecen transversales al eje mayor de la
mitocondria pero en algunos casos aparecen crestas longitudinales que son
paralelas al eje mayor de la mitocondria. La forma de las cretas puede variar,
las hay tabulares, saculares y tubulares (las mitocondrias que se encuentran en
las células que poseen gran cantidad de REL, por ejemplo las células de
Leydig). Y en algunos astrositos la sección de las cresta tiene forma
triangular.
El número de crestas es muy variable dependiendo del estado
funcional de las mitocondrias. En el interior se pueden encontrar moléculas de ADN
circular y desudo y aparecen en una región que es menos densa a los electrones
y que es lo que se denomina nucleoide, además existen ribosomas 70s y puede
haber también inclusiones densas a los electrones que son normalmente acúmulos
de fosfato cálcico o acúmulos de lípidos.
- Composición
química: las mitocondrias son fáciles de aislar de las células. Hay unos
tratamientos que se pueden aplicar a las mitocondrias, una de estas sustancias
es la digitonina y lo que sucede es que se rompe la membrana mitocondrial
externa y queda la matriz rodeada por la membrana mitocondrial interna y se
denomina mitoplasto, de esta manera se pueden aislar los diferentes componentes
de las mitocondrias.
a) Membrana
mitocondrial externa: tiene en su composición entre el 40-50% de lípidos y
entre el 60-50% de proteínas. Su composición es muy parecida a la composición
de la membrana plasmática. Los lípidos son muy saturados y tienen poco
colesterol. En la membrana mitocondrial externa se encuentra el acil-CoA-sintetasa,
el cit. B5 que lleva una NADH-reductasa asociada. También hay un transportador
que es el TOM, moléculas de monoamino oxidasa, porinas que permiten el
transporte de iones y de moléculas pequeñas (menores de 600 Da) a través de la
membrana mitocondrial externa que le confieren permeabilidad.
b) Espacio
perimitocondrial: se encuentra el adenilato ciclasa que es una enzima que
sintetiza ADP (AMP + ATP 2ADP). La composición en cuanto a iones y moléculas
pequeñas es similar a la del citoplasma.
c) Membrana
mitocondrial interna: tiene muchas proteínas, aproximadamente el 80% de la
composición son proteínas y el 20% lípidos. Los lípidos carecen de colesterol
pero aparece un lípido que es la cardiolipina que tiene 4 cadenas de ácidos
grasos, aparece exclusivamente en la membrana mitocondrial interna y hace,
junto con la ausencia de colesterol, que la membrana mitocondrial interna sea
impermeable al paso de sustancias. Existe el transportador TIM, las
ATP-sintetasa que intervienen en el transporte de electrones y que existen
diferentes tipos pero todas ellas se agrupan en 4 grandes complejos proteicos:
I, II, III, IV. Además hay enzimas que intervienen en la -oxidación de los
ácidos grasos.
d) Matriz
mitocondrial: hay ribosomas 70s que son sensibles al cloranfenicol (un
antibiótico) porque presentan las mismas características que las de las
bacterias. Hay ADN circular y desnudo que codifica para 13 proteínas (que
intervienen en la formación de las membranas, en la cadena transportadora de
electrones y algunas también en la fosforilación oxidativa, síntesis de ATP),
22 ARNt y 2 ARNr. También hay enzimas que intervienen en la -oxidación de los
ácidos grasos y en el ciclo de Krebs. Además hay el enzima superoxido dismutasa
que reduce parcialmente el oxígeno y también hay gránulos de fosfato cálcico y
acúmulos de lípidos. Muchas de estas proteínas tienen que pasar del citoplasma
al interior de las membranas. Esas proteínas tienen que atravesar las dos
membranas hasta llegar a la matriz mitocondrial, llevan una secuencia de
aminoácidos (entre 20 y 35 aminoácidos) denominadas presecuencia, esa
presecuencia se escinde al entrar las proteínas a las mitocondrias.
Paso de proteínas del citoplasma a la matriz mitocondrial
Cuando aparece la
presecuencia en la proteína, esa proteína es reconocida por el complejo TOM de
la membrana mitocondrial externa, pasa a través de ese transportador y desde el
TOM es transportado al TIM, transportador de la membrana mitocondrial interna y
desde el TIM para hasta la matriz mitocondrial. Para que se lleve a cabo toda
esa transferencia la proteína no puede estar plegada, por eso en el citoplasma
las proteínas que van a pasar a las mitocondrias se encuentran desplegadas
unidas a un tipo de chaperona, Hsp 70. A su paso por el TIM la proteína se
vuelve a unir a otra chaperona Hsp 70.
Una vez que se ha transferido toda la proteína a la matriz
mitocondrial esa proteína se une a una chaperona de a familia Hsp 60 que hace
que se pliegue de una forma adecuada, todos estos procedimientos conllevan
gasto de energía. Antes de plegarse se escinde la presecuencia. Las proteínas
que van a quedar en las membranas lo que sucede es que tienen secuencias de
detención de la transferencia, de tal manera que quedan en el complejo
transportador de la membrana en la que se encuentran.
Cuando aparece la
presecuencia en la proteína, esa proteína es reconocida por el complejo TOM de
la membrana mitocondrial externa, pasa a través de ese transportador y desde el
TOM es transportado al TIM, transportador de la membrana mitocondrial interna y
desde el TIM para hasta la matriz mitocondrial. Para que se lleve a cabo toda
esa transferencia la proteína no puede estar plegada, por eso en el citoplasma
las proteínas que van a pasar a las mitocondrias se encuentran desplegadas
unidas a un tipo de chaperona, Hsp 70. A su paso por el TIM la proteína se
vuelve a unir a otra chaperona Hsp 70. Una vez que se ha transferido toda la
proteína a la matriz mitocondrial esa proteína se une a una chaperona de a
familia Hsp 60 que hace que se pliegue de una forma adecuada, todos estos
procedimientos conllevan gasto de energía. Antes de plegarse se escinde la
presecuencia. Las proteínas que van a quedar en las membranas lo que sucede es
que tienen secuencias de detención de la transferencia, de tal manera que
quedan en el complejo transportador de la membrana en la que se encuentran.
Para las proteínas
que tienen que quedar en el espacio perimitocondrial se pueden dar tres casos
posibles:
- Que desde el
complejo de TOM las proteínas no se transfieran al TIM, que quede la proteína
libre en el espacio perimitocondrial.
- Que pase
desde el TOM al TIM pero que en el TIM haya una escisión de la proteína de tal
manera que parte de ella quede en el espacio intermembrana.
- Que la
proteína pase del TOM a TIM. Desde el TIM a la matriz mitocondrial y desde la
matriz mitocondrial por otro transportador la proteína vuelva al espacio
intermembrana.
Las membranas de
las mitocondrias también necesitan lípidos que se transfieren a través de
proteínas intercambiadoras de fosfolípidos desde el REL.
En la mitocondria
se realiza la síntesis de la cardiolipina, lípido exclusivo de la membrana
mitocondrial interna, que da impermeabilidad a las membranas de las
mitocondrias.
También se
sintetiza Fosfatidilserina a partir de Fosfatidiletanolamina.
Funciones: la
función principal de las mitocondrias es la síntesis de energía en forma de ATP
que es la fuente principal de energía de la célula.
- Esa energía se
puede obtener a partir de hidratos de carbono o a partir de las grasas; a
partir de glucosa en el caso de que sean hidratos de carbono o a partir de
ácidos grasos en el caso de que sean grasas.
- Tras una comida la
energía se obtiene a través de la glucosa y en un ayuno prolongado a partir de
los ácidos grasos. Nuestro organismo tiene reservas de glucosa para un día y de
ácidos grasos para un mes.
- La cantidad de
energía que se obtiene es distinta en función de que se utilice glucosa o
ácidos grasos. Si tuviéramos que sintetizar todo el ATP a partir de glucosa
nuestro organismo aumentaría de peso aproximadamente 25 Kg por término medio.
- En el caso de los
hidratos de carbono su hidrólisis se lleva a cabo en el citoplasma hasta
obtener piruvato, se obtienen dos moléculas de piruvato por cada molécula de
glucosa y las grasas que están almacenadas en el tejido adiposo llegan a través
de la sangre a las células que las necesitan. Los ácidos grasos pasan el
citoplasma hasta la matriz mitocondrial.
- Tanto el piruvato
como los ácido grasos se transforman en acetil CoA, comenzando el ciclo de
Krebs, el ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Entre
otras sustancias se obtiene es la fuente principal de energía de la célula.
- Esa energía se
puede obtener a partir de hidratos de carbono o a partir de las grasas; a
partir de glucosa en el caso de que sean hidratos de carbono o a partir de
ácidos grasos en el caso de que sean grasas.
- Tras una comida la
energía se obtiene a través de la glucosa y en un ayuno prolongado a partir de
los ácidos grasos. Nuestro organismo tiene reservas de glucosa para un día y de
ácidos grasos para un mes.
- La cantidad de
energía que se obtiene es distinta en función de que se utilice glucosa o
ácidos grasos. Si tuviéramos que sintetizar todo el ATP a partir de glucosa
nuestro organismo aumentaría de peso aproximadamente 25 Kg por término medio.
- En el caso de los
hidratos de carbono su hidrólisis se lleva a cabo en el citoplasma hasta
obtener piruvato, se obtienen dos moléculas de piruvato por cada molécula de
glucosa y las grasas que están almacenadas en el tejido adiposo llegan a través
de la sangre a las células que las necesitan. Los ácidos grasos pasan el
citoplasma hasta la matriz mitocondrial.
- Tanto el piruvato
como los ácido grasos se transforman en acetil CoA, comenzando el ciclo de
Krebs, el ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Entre
otras sustancias se obtiene CO2 que se expulsa fuera de la mitocondria, también
se producen electrones ricos en energía que se unen al NADH y se producen
también molécula de FADH2.
- Por cada vuelta
del ciclo de Krebs se producen 3 moléculas de NADH y 1 molécula de FADH2.
- Esos electrones
con alta energía son transferidos a los complejos transportadores de electrones
de la membrana mitocondrial interna, el electrón del NADH es captado por el
complejo I, el NADH pasa a NAD, el paso de ese electrón al complejo I va acoplado
al paso de protones desde la matriz mitocondrial al espacio perimitocondrial,
desde el complejo I ese electrón pasa al Coenzima Q y posteriormente al
complejo III, el paso del electrón al complejo III va acoplado también al paso
de protones a través de ese complejo transportador. Desde el complejo III los
electrones pasan el Citocromo c y desde el Citocromo c al complejo
transportador IV, el paso de electrones a través del complejo IV también lleva
acoplado el paso de protones hacia el espacio perimitocondrial. Ese electrón es
captado por el oxígeno y se forma agua. Se produce una gran concentración de
protones en el espacio perimitocondrial. Los electrones del FADH2 son
transferidos al complejo II que no lleva asociado el paso de protones hacia el
espacio intermembrana.
Desde el complejo II pasan al Coenzima Q, al complejo
III, cit.c y complejo IV y desde el complejo IV el electrón es transferido al
oxígeno. Se forma un gradiente de concentración y un potencial eléctrico, el
espacio intermembrana es positivo respecto a la matriz mitocondrial. Cuando hay
una diferencia de concentración y de potencial los protones pasa de nuevo a la
matriz mitocondrial a través de las ATP-sintetasa (membrana mitocondrial
interna), el paso de protones está acoplado a la síntesis de ATP, parece que es
necesario el paso de 4 protones para la síntesis de una molécula de ATP.
- Hay funciones
particulares de algunos tipos de mitocondrias. Las mitocondrias de las células
del tejido adiposo pardo desacoplan el transportan de electrones a la síntesis
de ATP y lo que sucede es que producen algo de ATP pero principalmente se
genera calor que es necesario en los recién nacidos y en animales que invernan.
Las mitocondrias del hígado tienen enzimas que intervienen en varios procesos
de la degradación de compuestos nitrogenados para llevarlos hasta urea. En
células que realizan la síntesis de hormonas esteroideas, las mitocondrias
colaboran con el REL en la síntesis de ellas.
- Estado
ortodoxo.
- Estado
condensado: en presencia de sustrato adecuado y de ADP. El espacio
perimitocondrial está mucho más dilatado que en el caso del estado ortodoxo.
- Cuando hay
una ausencia de ADP o en presencia de inhibidores de a síntesis de ATP las
mitocondrias aparecen en el estado de tumefacción con el espacio intercelular
muy reducido.
® Enfermedades
relacionadas con la alteración de las mitocondrias:
- Neuropatía
óptica hereditaria de Leber: el nervio óptico degenera. Se produce porque hay
un conjunto de mutaciones, una de ellas infecta a una de las proteínas que
forman el complejo transportador I, otra de ellas afecta al cit.c que se
considera parte del complejo transportador III entre otras mutaciones. Al estar
afectados los complejos se produce menos síntesis de ATP y es una de las causas
de la degeneración del nervio óptico.
- Cuando hay
una carencia nutricional o en caso de alcoholismo se observan las mitocondrias
del hígado aumentadas de tamaño.
- Si hay una
atrofia muscular, en el músculo disminuye el número y el tamaño de las
mitocondrias. Al contrario sucede si existe una hipertrofia.
perimitocondrial está mucho más dilatado que en el caso del
estado ortodoxo.
- Cuando hay
una ausencia de ADP o en presencia de inhibidores de a síntesis de ATP las
mitocondrias aparecen en el estado de tumefacción con el espacio intercelular
muy reducido.
® Enfermedades
relacionadas con la alteración de las mitocondrias:
- Neuropatía
óptica hereditaria de Leber: el nervio óptico degenera. Se produce porque hay
un conjunto de mutaciones, una de ellas infecta a una de las proteínas que
forman el complejo transportador I, otra de ellas afecta al cit.c que se
considera parte del complejo transportador III entre otras mutaciones. Al estar
afectados los complejos se produce menos síntesis de ATP y es una de las causas
de la degeneración del nervio óptico.
- Cuando hay
una carencia nutricional o en caso de alcoholismo se observan las mitocondrias
del hígado aumentadas de tamaño.
- Si hay una
atrofia muscular, en el músculo disminuye el número y el tamaño de las
mitocondrias. Al contrario sucede si existe una hipertrofia.
- En caso de
isquemias (falta de aporte sanguíneo) de un tejido, las mitocondrias producen
menos cantidad de ATP.
® Origen:
ontogenético y filogenético.
- Origen
ontogenético: se dividen para formar nuevas mitocondrias. Y cuando una célula
entra en división, las mitocondrias se dividen:
a) Bipartición:
parece que es una cresta mitocondrial que se extiende y llega a tabicar
completamente la matriz mitocondrial y entonces se divide la mitocondria en dos
porciones.
b) Estrangulamiento:
el centro de la mitocondria se va a estrangular, se va haciendo más estrecho el
diámetro de la mitocondria hasta que se produce el estrangulamiento.
- Origen
filogenético: se cree que se originaron a partir de una endosimbiosis entre un
hospedador y un procariota primitivo aerobio y éste daría origen a las
mitocondrias.
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