MITOCONDRIAS

     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.

 Según el estado funcional de las mitocondrias se pueden encontrar en dos estados:

-          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.