Mitocondria: Descubrimiento, Nomenclatura y Variaciones Conformacionales

Descubrimiento y Nomenclatura de las Mitocondrias

¿MITOCONDRIA?Las mitocondrias fueron descritas por primera vez por Altmann en 1884. Se pensó que eran estructuras vivas que parasitaban la célula y se las denominó bioblastos. El nombre de chondrioma (granulación), con el que se conocía al conjunto de mitocondrias a principios del siglo XX, deja entrever también esta posibilidad de estructuras con vida independiente. Fue Benda, en 1897, quien las denominó mitocondrias (mito = hilo, chondrios = granulo).

Morfología y Dinamismo Mitocondrial

Con el microscopio óptico las mitocondrias aparecen como gránulos, bastones, filamentos o raquetas. Si se utiliza contraste de fases y con una buena resolución, puede observarse que las mitocondrias son estructuras dinámicas: se mueven, se agrupan y se separan, se fusionan y se dividen.

Importancia Metabólica de las Mitocondrias

Las mitocondrias contienen las enzimas del ciclo de Krebs y de la fosforilación oxidativa, así como los componentes de la cadena transportadora de electrones. De ahí su importancia metabólica, tanto en la oxidación de los glúcidos como en la de los lípidos, que lleva aneja la producción de ATP, fuente de energía para la célula.

Dimensiones y Morfología de la Mitocondria

Las dimensiones de la mitocondria guardan relación con su abundancia. Su anchura varía de 0.5 um a 1 um de anchura, y su longitud, de 1 um a 7 um, aunque en el miocardio pueden observarse mitocondrias de hasta 10 um de largo. Las mitocondrias son a veces más grandes e irregulares de lo que parecen en los cortes observados con el microscopio electrónico, pues haciendo cortes seriados o con el microscopio electrónico de alta aceleración se demuestra que lo que parecían varias mitocondrias son, en realidad, partes de una misma mitocondria.

Estructura de la Mitocondria

Las mitocondrias presentan una doble membrana (externa e interna), cada una de unos 7 nm de espesor. Entre ambas membranas hay un espacio de unos 8 nm (espacio perimitocondrial). La membrana interna presenta invaginaciones hacia el interior, que constituyen tabiques denominados crestas . Las crestas no llegan de un lado a otro de la mitocondria, por lo que la compartimentación que establecen es abierta. Tridimensionalmente, la forma de la mitocondria podría compararse a la de un cacahuete

Espacio perimitocondrial Membrana externa ATP sintetasa Gránulos densos Membrana interna Ribosomas DN Crestas Matriz Figura 5.4. Esquema tridimensional de una mitocondria típica con todos sus componentes.

Composición de las Membranas Mitocondriales

COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS MITOCONDRIALES Existen notables diferencias entre la composición de la membrana interna y la membrana externa.

Membrana Externa Mitocondrial

La membrana externa tiene un 60% de proteínas y un 40% de lípidos, y es más semejante al retículo endoplasmático que la interna, incluso en su vida media, que es de 5.2 días. Contiene algo de colesterol, fosfatidil colina, fosfatidil etanolamina, fosfatidilinositol y escasa cardiolipina (difosfatidil-glicerol). Entre las proteínas se encuentran transportadores de electrones (citocromo bs y la reductasa de b5-NADH), una enzima que oxida monoaminas a aldehidos (monoaminooxidasa), enzimas que intervienen en la degradación oxidativa de los lípidos (acil-CoA sintetasa y fosfolipasa A), enzimas que fosforilan nucleósidos (nucleósido difosfatasa quinasa), el complejo para la inserción en la mitocondria de proteínas sintetizadas en el citosol, proteínas de la familia Bcl-2 que regulan la apoptosis, y múltiples copias de una proteína llamada porina, que forma grandes canales acuosos que atraviesan la membrana y son permeables a moléculas menores de 10 kDa.

Membrana Interna Mitocondrial

La membrana interna (incluidas las crestas) tiene un 80% de proteínas y un 20% de lípidos. Es más semejante a la de las bacterias y las laminillas internas de los cloroplastos, y su vida media es de unos 12.6 días. Carece de colesterol y contiene fosfatidil glicerol y cardiolipina en mucha mayor proporcion que la membrana externa. El alto contenido en cardiolipina la hace impermeable a los iones y la sacarosa. Es más densa que la externa y posee muchas más proteínas, entre las que se encuentran el complejo para la inserción de proteínas sintetizadas en el citosol o en la matriz, enzimas de oxidación de ácidos grasos, transferasas (como las que transfieren el grupo acilo a la carnitina o las que transportan la acil-carnitina, ADP, P, aminoácidos o ácido piruvico a la matriz mitocondrial), todos los componentes de la cadena transportadora de electrones y la enzima ATP sintetasa, que realiza la fosforilación oxidativa.

Unidades Proyectantes y ATP Sintetasa

Por eso, Parsons designó a estas estructuras con un término más morfológico y expresivo: unidades proyectantes. Hoy suelen denominarse con los términos más funcionales de ATP sintetasa o partículas F, en las que las esferas se designan como partículas Fy los tallos como partículas F0. Esta enzima constituye aproximadamente el 15% en peso de la membrana interna y las crestas mitocondriales.

Mitoplasto y Espacio Perimitocondrial

Lo que queda tras separar la membrana externa de la mitocondria se denomina mitoplasto O compartimiento interno. En el espacio perimitocondrial se encuentra la enzima adenilato quinasa que fosforila el AMP en ADP a partir del ATP.

Matriz Mitocondrial

MATRIZ MITOCONDRIAL El compartimiento interno de la mitocondria comprende algunas estructuras que pueden observarse con el microscopio electrónico, tales como ribosomas, DNA, gránulos osmiófilos e inclusiones lipídicas, junto con iones, pequeñas moléculas y macromoléculas no visibles. El RNA y el DNA mitocondriales se hibridan entre sí, pero no lo hacen con el DNA del núcleo, lo que muestra que son propios de las mitocondrias.

DNA Mitocondrial

DNA Forma filamentos de unos 2.5 nm de espesor que corresponden a DNA. Este DNA es un doble helicoide no unido a proteínas, y no forma cromosomas, sino una única cadena que, en la mayoría de los organismos, tiene disposición circular como el DNA bacteriano, aunque en algunos organismos unicelulares, como el paramecio y el alga Chlamydomonas, la disposición es lineal. La longitud del DNA mitocondrial es de unos 5-6 (m en la mayoría de los organismos animales (desde platelmintos hasta mamíferos) y mayor (de 10 a 30 (m) en levaduras y algunas células eucariotas inferiores. En las plantas superiores el DNA es extraordinariamente largo (desde 30 hasta 800 (m).

Genoma Mitocondrial Humano

El genoma mitocondrial humano consta de 16 569 pares de bases, y casi todo el codifica proteínas o transcribe moléculas de rRNA y tRNA, aunque también contiene un par de secuencias reguladoras de DNA. En el citosol hay 48 tRNA diferentes, pero en las mitocondrias humanas sólo hay 22. Además, cuatro de los 64 codones tienen significados diferentes de lo que ocurre en el citosol

Ribosomas Mitocondriales

Ribosomas Los ribosomas mitocondriales son menores que los del citosol. En células animales, son incluso menores que los de las bacterias (55-60 S). Constan de dos subunidades: una de 35 S y otra de 25 S. La subunidad mayor contiene un RNA de 16 S y otro de 4 S, que equivale al de 5 S de los ribosomas citoplasmicos. EI RNA de la subunidad menor es de 12 S.

Otros Componentes de la Matriz

Otros componentes La matriz mitocondrial contiene a veces gránulos densos (gránulos osmiófilos), de unos 50 nm de diámetro, formados por subunidades de unos 7.5 nm. Estos gránulos están constituidos por cationes divalentes, principalmente Ca2+, y son muy abundantes en células transportadoras de iones y agua, como las de los túbulos contorneados renales. En algunas células pueden observarse inclusiones lipídicas, como ocurre en las células de Leydig, lo que guarda relación con la síntesis de hormonas esteroideas.

Diferencias del Código Genético Mitocondrial

TABLA 5.1. Diferencias entre el código genético mitocondrial y el del núcleo

Función Mitocondrial

FUNCIÓN MITOCONDRIAL

Oxidación Mitocondrial

OXIDACIÓN MITOCONDRIAL Sin las mitocondrias, las células dependerian de la glucolisis anaerobia, que degrada la glucosa a piruvato, para obtener todo su ATP (en los vegetales se obtiene también ATP en los cloroplastos). Pero mientras que en la glucolisis anaerobia se obtienen solo dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa degradada, en la mitocondria se forman 36 moléculas de ATP por cada una de glucosa. La oxidación de los glúcidos se realiza en el ciclo de Krebs. El piruvato, procedente de la glucolisis anaerobia de la glucosa y otros azúcares relacionados, es transportado desde el citosol dentro de la mitocondria, donde el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa lo transforma en acetil- CoA, el cual entra en el ciclo de Krebs de la matriz mitocondrial, oxidándose a CO2y generando NADH. + H.y FADH2.

Cadena Transportadora de Electrones

El NADH+ + H+ y el FADH2 ceden los electrones, que son conducidos por la cadena transportadora de electrones, separándose de los protones, hasta que se reúnen de nuevo con estos y el O2 para formar agua. FADH= Flavina adenina dinucleotido NADH= Nicotinamida adenina dinucleotido Esta cadena comprende los siguientes componentes:

1. La FADH deshidrogenasa (complejo I) con una flavoproteína Fe-S.
2. La NADH deshidrogenasa (complejo II) con el grupo prostético FMN y una flavoproteína Fe-S.
3. La ubiquinona o coenzima Q, a la que los dos complejos anteriores ceden los electrones.
4. Los citocromos b-c (complejo III), de unos 500 kDa, en forma de dímero; cada monomero contiene dos grupos hemo (con Fe) y una proteína Fe-S. Reciben los electrones de la ubiquinona.
5. El citocromo c, que recibe los electrones del complejo III.
6. La citocromo-oxidasa (complejo IV), de unos 300 kDa, que forma un dímero que contiene los citocromos a y as, con dos grupos hemo y un grupo con Cu. En este complejo se unen los electrones recibidos del citocromo c con los protones y con el O2 para formar H2O, consumiendose alrededor del 90% del O2utilizado por la célula.

Agentes Inhibidores del Transporte de Electrones

Existen agentes inhibidores de este transporte; así, la unión de los electrones a la flavoproteína Fe-S del complejo NADH deshidrogenasa es inhibida por la rotenona, el funcionamiento del complejo de citocromos b-cies inhibido por la antimicina A, y el complejo de la citocromo-oxidasa es bloqueado por el cianuro y por la azida.

Localización de Complejos en la Membrana Mitocondrial Interna

Espacio perimitocondrial 4H+ 4H+ 2H+ Complejo FADH deshidrogenasa Complejo NADH deshidrogenasa Complejo de citocromos b-c1 Complejo citocromo 3H+ oxidasa Hemo Fo C FAD Flavoproteína Fe-S FMN Flavoproteína Fe-S Hemo b Hemo c1 Hemo a Hemo a3 Cu CoQ e- Proteína Fe-S F. 1 e Coenzima Q (ubiquinona) FADH2 NADH+ + H+ 2H+ + 1/202 ATP sintetasa ADP + P¡ + H+ Matriz mitocondrial ATP + H+ (2.5 mol ATP por cada NADH+ + H+) (1.5 mol ATP por cada FADH2) 3H+ Figura 5.8. Localización de los complejos que intervienen en la cadena transportadora de electrones y de la ATP sintetasa mi- tocondrial en la membrana mitocondrial interna. Los H2 procedentes del ciclo de Krebs (FADH2 y NADH+ + H+) son introduci- dos en la ubiquinona. Los electrones se separan de los protones. Los electrones siguen la cadena, mientras que los protones emigran al espacio perimitocondrial y vuelven a entrar en la matriz mitocondrial. Ese gradiente de protones va unido a la acti- vidad de la ATP sintetasa que realiza la fosforilación oxidativa acoplada a la cadena. Al final de la cadena, los protones se reú- nen con los electrones y con el O2, formando H2O. H2O FAD NAD Citocromo c