Mitocondrias

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La mitocondria, termino acuñado por el médico alemán Karl Benda (1857-1933) en 1897 , del gr. mito, μίτος, hilo, y condrio, khondrion, κόνδρος, gránulo, literalmente gránulos -en forma- de hilo o filamento) es el orgánulo de las células eucariotas encargados de suministrar la energía requerida para la vida celular, actúan por tanto como la central energética de la célula. Es el sitio sonde tiene lugar el ciclo de Krebs y el proceso conocido como fosforilación oxidativa [[1]], dos procesos fundamentales de la respiración celular aerobia. En este proceso se produce la combustión (oxidación) de los nutrientes (e.g. hidratos de carbono, grasas) a CO2 (dióxido de carbono) y H2O (agua), y la energía química liberada (ganada) en ese proceso es convertida, capturada y almacenada en forma de enlaces fosfodiester de alta energía en la molécula de Trifosfato de adenosina (abreviadamente ATP, del inglés Adenosine TriPhoshate) [[2]]. Por ello, el ATP se constituye en la moneda universal de energía química en las transaciones energéticas de la célula. La energía (libre) liberada en hidrólisis de ATP en ADP (Adenosina Difosfato, del inglés Adenosine DiPhosphate) + Pi (iones de fosfato inorgánico)[ATP->ADP+Pi], en algunos procesos bioquímicos también de ATP—en Adenosina Monofosfato AMP y pirofosfato (PPi) [ATP->AMP+PPi] puede emplearse para promover otras reacciones (en principio energeticamente desfavorables) que requieren de energía para que puedan llevarse a cabo dentro de la célula.

Las mitocondrias funcionan pues como los orgánulos traductores de energía de la célula en los cuales penetran los principales productos de la degradación del metabolismo celular para ser convertidos en energía química útil en forma de ATP, la cual será utilizada para dirigir y sostener las distintas actividades celulares (metabólicas y fisiológicas) de tipo mecánico, químico u eléctrico necesarias para mantener la actividad vital de la célula: crecimiento, reproducción (síntesis de DNA y división celular), locomoción y motilidad [[3]], biosíntesis de componentes celulares (metabolismo anabólico), ensamblaje de estructuras celulares(e.g. microfilamentos [[4]], transporte activo de materiales [[5]], contracción muscular [[6]], reparación celular]].

Estructura de la Mitocondria

La mitocondria tiene una longitud de 1 a 10 micras (μm), y un grosor de 0.5 μm, estando delimitada con dos membranas constituidas cada una por una bicapa fosfolipídica. La membrana exterior en contacto con el citosol es permeable a iones, a distintos metabolitos y diferentes clases de polipéptidos. La alta permeabilidad de la misma, es debido a que contiene embebidas proteínas que forman poros llamados Porinas o VDAC (canal aniónico dependiente de voltaje, en inglés, voltage-dependent anion channel ), que al formar canales a través de la membrana permiten el paso de moléculas de un diámetro aproximado de 2 nanómetros (nm). Por otra parte, la membrana interna, a diferencia de la exterior la membrana interna mitocondrial es una barrea impermeable a los iones (.e.g H+ protones) y pequeñas moléculas (metabolitos) que debe usar transportadores específicos (carriers en inglés) para atravesarla. Se han descrito la existencia de transportadores (antiportes o intercambiadores [[7]]) para ATP /ADP, fosfato-Pi/iones hidroxiloOH-, piruvato/OH-, etc.... Así como complejos proteicos necesarios para la importación de proteínas a la matriz mitocondrial. La membrana interna presenta además pliegues dirigidos hacia el interior de la mitocondria llamados crestas mitocondriales, que expanden el área superficial de esa membrana, aumentando con ello la capacidad de producir ATP. Entre la membrana externa y la membrana interna se encuentra situado el espacio intermembrana. Por otra parte encerrada por la membrana interna se encuentra la matriz mitocondrial. En la matriz mitocondrial se encuentran las enzimas que llevan a cabo la catálisis de las reacciones bioquímicas que constituyen el ciclo de Krebs, así como otras vías catabólicas degradativas (e.g. Beta-oxidación de los ácidos grasos).

En la membrana mitocondrial interna se sitúan cuatro complejos multimericos proteicos (constituidos de múltiplas subunidades polipeptídicas) que constituyen la cadena de transporte electrónico mitocondrial o cadena respiratoria mitocondrial que trasportan los electrones desde los donadores electrónicos FADH2 y NADH (producidos durante la glicólisis y el ciclo de Krebs) al oxigeno molecular (O2): Complejo I [NADH deshidrogenasa o NADH-coenzima Q oxidoreductasa]; II [Succinato-coenzima Q deshidrogenasa o Succinato Q-oxidoreductasa] , III (Q-citocromo c oxidoreductasa o complejo citocromo bc1) ; IV (Citocromo c oxidasa)[[8]].

La impermeabilidad de la membrana interna a los protones es una característica funcional necesaria que permite la formación de un gradiente electroquímico de protones, potencial electroquímico o fuerza protón motriz como también se le denomina (∆μH+) a través de la misma, al acoplar la energía del paso de electrones de alta energía desde el NADH y FADH2 al O2 en los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria mitocondrial, a la transferencia vectorial (bombeo) de protones (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana [[9]].

La ATP sintetasa ( llamada también ATPasa, porque puede catalizar la reacción inversa de hidrólisis de ATP) , esta situada de igual manera en la membrana interna de la mitocondria, y es el complejo (V) encargado de la síntesis de ATP a partir del ADP + Pi al acoplar de manera quimiosmótica el flujo de retorno (quimiosmosis) (energéticamente favorable), de los protones a su través desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial, permitiendo de este modo utilizar, la energía del flujo de electrones en la cadena respiratoria que es almacenada en el gradiente electroquímico de protones a la síntesis de ATP.

Este acoplamiento quimiosmótico [[10]] es pues esencial en el proceso de fosforilación oxidativa de formación de ATP [[11]] , y se reconoce como un mecanismo general de generación de ATP, que interviene no solo en las mitocondrias sino también en los cloroplastos y en las bacterias (donde el ATP se genera en un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidal [[12]][13]] y la membrana plasmática respectivamente).

Genoma, Ribosomas y el código genético mitocondrial

A diferencia de otros orgánulos de la célula. La mitocondrias tienen un genoma propio. Este DNA mitocondrial (abreviadamente mtDNA) es una molécula de DNA circular (un vestigio de su origen procariótico [[14]]) que en el caso de las mitocondrias humanas tiene 16569 pares de bases. Cada célula contiene cientos de mitocondrias y cada mitocondria contiene múltiples copias de su propio DNA mitocondrial (mtDNA), por lo que las células contienen cientos de mtDNAs.

Dentro del mtDNA humano se encuentran codificadas:

.- 2 moléculas de RNA ribosómico mitocondrial (rRNAmt) una 12 S que forma parte de la subunidad menor del ribosoma y otra 16S que forma parte de la subunidad mayor, que forman un ribosoma completo. Las proteínas ribosómicas son importadas desde el citosol en el que son sintetizadas en ribosomas a partir de RNA mensajeros (mRNA) expresados a partir del genes nucleares.

.- 22 moleculas de RNA transferente (tRNA)

Este pequeño número de tRNA codificados en el genoma mitocondrial pone de manifiesto una característica importane del sistema genético mitocondrial: el uso de un código genético ligeramente diferente, que es distinto del código genético “universal” utilizado en el genoma de las células procariotas y eucariotas, así el codón "universal" de terminación UGA codifica para el aminoácido triptófano (trp) en el genoma mitocondrial humano, y los dos codones UGA y AGG que codifican para arginina (arg) son codones de terminación en el codigo genético de la mitocondria, por otra parte AUA codifica metionina (met) en el genoma mitocondrial humano en vez del aminoácido isoleucina ( ile).

.- 13 polipéptidos que participan en la construcción de varios complejos enzimáticos de la cadena respiratoria mitocondrial que están constituidos por multiples polipétidos y que participan en la fosforilación oxidativa (OXPHOS) el sistema de generación de energía (ATP) de las mitocondrias [[15]], y que se encuentran embebidos dentro de la membrana mitocondrial interna.: 7 subunidades que constituyen el complejo la NADH deshidrogenasa mitochondrial (complejo I). 3 subunidades de la citocromo c oxidasa (complejo IV). 2 suunidades de la ATP sintetasa (complejo V) y el citocromo b (complejo III).

Internalización de proteinas en la mitocondria

Otras funciones de las mitocondrias

Además de proporcionar la energía celular, de ser un generador de ATP, la mitocondria esta involucrada en un rango amplio de procesos fisiológicos dentro de las células tales como señalización intracelular, diferenciación celular y muerte celular por apoptosis, así como el control del ciclo celular y el crecimiento celular.