Mitocondria

MITOCONDRIA

Estructura y composición:

·      Su presencia en las células se conoce desde hace más de 100 años.

·      Según el tipo celular, las mitocondrias pueden tener una estructura general muy diferente.

·      Las mitocondrias ocupan 15 a 20% del volumen de una célula hepática promedio de mamífero y contienen más de mil proteínas diferentes.

·      Son estructuras dinámicas: se mueven, se agrupan y se separan, se fusionan y se dividen.

·      Contienen las enzimas del ciclo de Krebs y de la fosforilación oxidativa, así como los componentes de la cadena transportadora de electrones.

·      En el hígado hay unas 1000 mitocondrias por célula, pero en las células del miocardio, los túbulos contorneados distales del riñón y en otras células que necesitan una gran fuente de energía, son mucho más abundantes.

·      Las dimensiones de la mitocondria guardan relación con su abundancia. Su anchura varía de 0.5 µm a 1 µm de anchura, y su longitud, de 1 µm a 7 µm, aunque en el miocardio pueden observarse mitocondrias de hasta 10 µm de largo.

·      Presentan una doble membrana (externa e interna), cada una de unos 7 nm de espesor.

·      Si se fijan las células con glutaraldehído, a gran resolución la estructura de ambas membranas mitocondriales parece globular.

·      Si la fijación se hace con glutaraldehído-paraformaldehído, la estructura aparece trilaminar, como en las demás membranas citoplásmicas.

·      El número de crestas es muy variable y, normalmente, está relacionado directamente con las necesidades de producción de energía de la célula; así, las crestas son muy numerosas en el músculo y escasas en el hígado.

Reproducción de las mitocondrias

·      La división de las mitocondrias, según las imágenes obtenidas con el microscopio electrónico, puede tener lugar por tres mecanismos

·      1) bipartición, observada experimentalmente en dietas con carencia de riboflavina (vitamina B6);

·       2) estrangulación, observada experimentalmente en dietas con carencia de cobre;

·      3) gemación. El contorno irregular de las mitocondrias hace que parezcan yemas, lo que, en realidad, es el aspecto normal de la mitocondria.

Composición de las membranas mitocondriales

·      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

·      Entre las proteínas se encuentran transportadores de electrones (citocromo b5 y la reductasa de b5-NADH), una enzima que oxida monoaminas a aldehídos (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.

·      La membrana interna (incluidas las crestas) tiene un 80% de proteínas y un 20% de lípidos.

·      semejante a la de las bacterias y las laminillas internas de los cloroplastos, y su vida media es de unos 12.6 días.

·      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 todos los componentes de la cadena transportadora de electrones y la enzima ATP sintetasa, que realiza la fosforilación oxidativa.

·      Lo que queda tras separar la membrana externa de la mitocondria se denomina mitoplasto o compartimiento interno.

Matriz mitocondrial

·      Además de tener varias enzimas, la matriz mitocondrial contiene ribosomas (de tamaño mucho menor a los que se encuentran en el citosol) y varias moléculas de DNA, el cual es circular en plantas superiores y animales.

·      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.

·      Forma filamentos de unos 2.5 nm de espesor que corresponden a DNA.

·      La longitud del DNA mitocondrial es de unos 5-6 µm en la mayoría de los organismos animales (desde platelmintos hasta mamíferos) y mayor (de 10 a 30 µm) en levaduras y algunas células eucariotas inferiores.

·      El genoma mitocondrial humano consta de 16569 pares de bases, y casi todo él 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.

Ribosomas

·      Los ribosomas mitocondriales son menores que los del citosol.

·      Presentan rasgos comunes con los bacterianos: son inhibidos por el cloranfenicol y la síntesis proteica se inicia con la N-formil-metionina.

·      Sintetizan algunas proteínas de la mitocondria, pero la mayoría de éstas se importan del citoplasma.

Función:

·      Se conocen por su función en la generación del ATP que se usa en la mayor parte de las actividades celulares que requieren energía.

·      A menudo se relacionan con gotitas oleosas que contienen ácidos grasos, a partir de las cuales obtienen materia prima para oxidar.

·      Captación y liberación de iones calcio, que son iniciadores esenciales de actividades celulares y junto con el retículo endoplásmico, las mitocondrias tienen una función importante en la regulación de la concentración de Ca2+ del citosol.

·      Las mitocondrias del músculo esquelético poseen una subunidad especial de la citocromo oxidasa. Esta subunidad falta en las mitocondrias de otros tejidos, incluido el músculo cardíaco.

·      Las mitocondrias de células productoras de hormonas esteroideas  intervienen en la síntesis de estas hormonas junto con el retículo endoplasmático liso, tal como se ha explicado al tratar de la síntesis de hormonas esteroideas

Oxidación mitocondrial

·      Sin las mitocondrias, las células dependerían de la glucólisis anaerobia, que degrada la glucosa a piruvato, para obtener todo su ATP (en los vegetales se obtiene también ATP en los cloroplastos).

·      En la glucólisis anaerobia se obtienen sólo 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 transferencia de electrones por la cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP a partir de ADP + P.

·      La energía obtenida en los procesos oxidativos se almacena así en forma de un gradiente electroquímico de protones, que será utilizado en la fosforilación y en otros procesos que requieran energía.

·      Las mitocondrias oxidan también los ácidos grasos en el denominado ciclo de la oxidación β.

Incorporación de iones

·      Pueden incorporar cationes, principalmente Ca2+, desprendiendo H+ a cambio. Los OH– son neutralizados en el interior de la matriz, con su consiguiente alcalinización. El PO4–3 entra con el Ca2+.

Incorporación de proteínas a la mitocondria

·      Las proteínas sintetizadas en el citosol que van a formar parte de la membrana interna o del espacio perimitocondrial necesitan dos péptidos señal, uno para anclarse en la membrana externa, y el segundo para el anclaje en la membrana interna.

·      Estas proteínas entran en la matriz de la misma forma que las que van a residir allí, pero luego se anclan en la membrana interna por su segundo péptido señal a través del complejo OXA.

·      La proteína, en su paso a la matriz, es frenada por el TIM23 y se inserta por su segundo péptido señal en la membrana interna.

·      Un grupo de proteínas especializadas en el transporte de metabolitos a través de la membrana interna, presentan en vez de péptido señal terminal, varios péptidos señal intercalados en su estructura.

Peroxisomas

PEROXISOMAS

Son vesículas simples limitadas por membranas (fig. 5-31a) con un diámetro de 0.1 a 1.0 μm que pueden contener un centro denso y cristalino de enzimas oxidativas.

Son el sitio a partir del cual se sintetiza y degrada el peróxido de hidrógeno (H2O2), un agente oxidante muy reactivo y tóxico.

Las plantas de semillero contienen un tipo especializado de peroxisoma, llamado glioxisoma.

Estructura:

·      Los peroxisomas, junto con las mitocondrias, son orgánulos celulares que desempeñan una función primordial en la utilización del oxígeno.

·      Los peroxisomas se observaron por primera vez en el riñón y el hígado de roedores, hacia 1950, cuando comenzaron los estudios de la célula con el microscopio electrónico; se les denominó microcuerpos.

·      Morfológicamente se parecen a los lisosomas, pues son partículas esféricas, limitadas por una membrana, de un diámetro variable que oscila entre 0.3 y 1.5 µm, y con un contenido enzimático.

·      Contienen enzimas que intervienen en el metabolismo del H2O2 y colaboran con las mitocondrias y cloroplastos en algunas funciones.

·      En los enterocitos son muy abundantes, pero pasan inadvertidos por su pequeño tamaño (alrededor de 0.2 µm) y su contenido claro.

·      Están constituidos por túbulos, unos de 10 nm y otros de 4.5 nm de diámetro, formando distintos tipos de redes.

·      La membrana del peroxisoma tiene 7 nm de espesor y su composición es similar a la del retículo endoplasmático.

·      Posee transportadores de electrones, como el citocromo b5, y las enzimas reductasa de b5-NADH y reductasa de citocromo P450-NADH.

Función:

·      Utilizan el oxígeno molecular para eliminar átomos de hidrógeno de sustratos específicos, a través de una reacción oxidativa que produce H2O2.

·      Las enzimas que catalizan esta reacción son las oxidasas flavínicas, llamadas así porque tienen una flavina como grupo prostético. Entre ellas se encuentran oxidasas de aminoácidos, la oxidasa de acil-CoA, la oxidasa de glicolato y la oxidasa de urato, denominadas de acuerdo con el sustrato.

·      A diferencia de las oxidaciones respiratorias mitocondriales, las que se desarrollan en los peroxisomas no están acopladas a la fosforilación del ADP en ATP.

·      Pueden intervenir en diversas vías metabólicas, que difieren según los organismos y el tipo de tejido. Las funciones específicas mejor conocidas son el catabolismo de las purinas, el metabolismo de los lípidos y el metabolismo del ácido glicólico.

·      En la degradación de las bases púricas (adenina y guanina) intervienen diversas enzimas del peroxisoma.

·      Entre un 10 y un 25% de los ácidos grasos se degradan en peroxisomas y el resto, en mitocondrias. En ambos orgánulos este proceso de degradación se denomina oxidación β y conduce a la formación de acetil-CoA.

·      Los peroxisomas sintetizan también plasmalógenos. Los plasmalógenos son unos fosfolípidos presentes en algunas membranas (muy abundantes en la vaina de mielina), y difieren de la fosfatidil colina en que uno de los ácidos grasos se une al glicerol por un enlace del tipo éter en vez de hacerlo por uno del tipo éster.

Ciclo del Glioxilato.

·      Las moléculas de acetil-CoA producidas en la degradación de los ácidos grasos son usadas para producir ácido succínico, en el proceso conocido como ciclo del glioxilato.

·       El ácido succínico producido en este ciclo abandona los glioxisomas y penetra en las mitocondrias, en cuya matriz es oxidado en el ciclo de Krebs a ácido oxalacético, que abandona las mitocondrias y se convierte en glucosa en el hialoplasma.

Metabolismo del Ácido Glicólico.

·      El ácido glicólico entra en los peroxisomas y es oxidado a ácido glioxílico, el cual se convierte en glicina, que pasa de los peroxisomas a las mitocondrias donde se transforma en serina y CO2.

Captación de proteínas:

·      Sólo tienen dos compartimientos en los que una proteína importada puede situarse: la membrana limitante y la matriz interna.

·      Las proteínas destinadas a un peroxisoma tienen una señal de dirección peroxisómica (PTS, peroxisomal targeting signal), ya sea una PTS para una proteína de la matriz peroxisómica o una mPTS para una proteína peroxisómica de la membrana.

·      Se han identificado diferentes PTS: mPTS y receptores PTS. Los receptores PTS se unen con proteínas destinadas al peroxisoma en el citosol y las trasladan a la superficie del peroxisoma.

·      A diferencia de las mitocondrias y los cloroplastos, los peroxisomas son capaces de importar proteínas de la matriz peroxisómica en su conformación plegada nativa, incluso las que tienen varias subunidades.

Anomalías:

·      Las anomalías en la síntesis de plasmalógenos pueden dar origen a disfunción neurológica grave. La enzima luciferasa, que genera la luz que emiten las luciérnagas, también es una enzima peroxisómica.

·      El síndrome de Zellweger es una rara anomalía hereditaria reconocible por diversas alteraciones neurológicas, visuales y hepáticas que causan la muerte en la lactancia temprana. Las células hepáticas y renales de estos pacientes carecían de peroxisomas.

·      Anomalías por deficiencia de una sola enzima es la suprarrenoleucodistrofia (ALD). Casi nunca presentan alteraciones hasta la parte intermedia de la infancia, cuando aparecen los síntomas de insuficiencia suprarrenal y disfunción neurológica. La enfermedad se debe a un defecto de una proteína de membrana que transporta ácidos grasos de cadena muy larga (VLCFA) hacia los peroxisomas, donde se metabolizan.

Lisosomas

LISOSOMAS

Son los organelos digestivos de una célula animal.

Contiene cerca de 50 enzimas hidrolíticas diferentes que se producen en el retículo endoplásmico rugoso y se dirigen a estos organelos.

Las enzimas de un lisosoma comparten una propiedad importante: todas alcanzan su actividad óptima en un pH ácido, por lo que son hidrolasas ácidas.

Los lisosomas de una célula de Kupffer tienen una forma irregular y densidad electrónica variable, lo que ilustra qué tan difícil es identificar estos organelos sólo con base en su morfología.

Las enzimas lisosómicas son glucoproteínas con oligosacáridos unidos a N que, se sintetizan en el retículo endoplasmático rugoso y pasan al compartimiento cis del complejo de Golgi donde dos de sus manosas son fosforiladas.

Estructura y composición:

·      Son vesículas con enzimas hidrolíticas que, de liberarse, destruirían toda la célula.

·      Degradan proteínas (proteasas), ácidos nucleicos (nucleasas: DNAasa y RNAasa), glúcidos (glucosidasas y lisozima), ésteres de sulfato (arilsulfatasas), lípidos (lipasas y fosfolipasas) o fosfatos de moléculas orgánicas (fosfatasas).

·      El pH del interior del lisosoma es 5.

·      El lisosoma se autoprotege de las proteasas lisosómicas y de la acidez porque su hemimembrana interna está intensamente glucosilada.

·      La membrana del lisosoma contiene receptores Rab y SNARE que le permiten reconocer las vesículas con las que se fusionan, unas proteínas denominadas LAMP (proteínas asociadas a la membrana lisosómica),

·      Contiene proteínas de transporte que facilitan el paso de productos finales de la degradación de sustancias hacia el hialoplasma.

¿De dónde provienen?

·      Lisosomas primarios. lisosomas de menor tamaño, y su contenido es homogéneo. Son lisosomas cuyas enzimas digestivas aún no han actuado.

·      Vesículas pierden pronto la cubierta de clatrina y pueden fusionarse con otros lisosomas primarios ya existentes, o incorporarse al compartimiento endolisosómico, fusionándose con los llamados lisosomas secundarios, reconocibles por su mayor tamaño y por su contenido heterogéneo.

·      Al producirse la fusión, las hidrolasas pierden el marcador de manosa-fosfato, lo que puede ayudar a retener estas enzimas en el lisosoma, evitando que sean captadas de nuevo por membranas con receptores durante el reciclaje de membranas.

Funciones:

·      La función mejor estudiada es la degradación de materiales que llegan a la célula desde el ambiente extracelular.

·      Digestión de sustancias incorporadas a la célula por endocitosis.

·      Responsables últimos de la degradación de grandes moléculas que penetran en la célula y que, como no pueden ser transportadas a través de la membrana debido a su gran tamaño, se incorporan por vesiculación.

·      La pinocitosis es el único medio por el cual las principales macromoléculas grandes, como la mayoría de las moléculas proteicas, pueden entrar en las células.

·      La velocidad con que se forman las vesículas de pinocitosis suele aumentar cuando estas macromoléculas se unen a la membrana celular.

·      Fagocitos poseen receptores de superficie, tanto para los anticuerpos que se han unido a los antígenos de la pared bacteriana, como para los componentes del complemento que se han unido a estos anticuerpos.

·      Los fagocitos están provistos de numerosos lisosomas que se unen a los fagosomas para dar lugar a fagolisosomas, que digieren las bacterias contenidas en ellos.

·      Los fagolisosomas terminan formando cuerpos residuales.

Digestión de sustancias de la propia célula

·      Pueden englobar y digerir orgánulos (mitocondrias, membranas citoplásmicas, etc.) y porciones del citoplasma de la propia célula en grandes vacuolas digestivas denominadas vacuolas de autofagia, autolisosomas o citolisosomas.

·      Los citolisosomas también intervienen en el mecanismo autorregulador de la secreción englobando gránulos de secreción, evitando que sean segregados y digiriéndolos, proceso conocido como crinofagia.

Digesión extracelular.

·      Los lisosomas pueden verter sus enzimas al exterior y destruir sustancias externas a la célula.

·      El acrosoma, un lisosoma especializado que se encuentra en el extremo de la cabeza del espermatozoide. Cuando éste entra en contacto con las cubiertas del óvulo, se liberan enzimas hidrolíticas que destruyen esas cubiertas para que la membrana del acrosoma se fusione con la membrana plasmática del óvulo.

Intervención en procesos patológicos

·      Las células que se ven forzadas a englobar grandes cantidades de sustancias extrañas tienden a acumular estos materiales en sus lisosomas con el consiguiente detrimento de su vitalidad.

·      En la enfermedad genética recesiva llamada de inclusión celular faltan la mayoría de las enzimas lisosómicas, con lo que se almacenan sustancias (inclusiones celulares) en los lisosomas.

·      La vitamina A y algunas hormonas son agentes labilizantes de la membrana de los lisosomas y actúan sobre todo en lisosomas de células del tejido conjuntivo, provocando que se rompa fácilmente la membrana de este orgánulo y se liberen las hidrolasas.

·      En la enfermedad conocida como gota, se producen cristales de urato en el líquido sinovial de las articulaciones. Los leucocitos neutrófilos fagocitan estos cristales que rompen la membrana del lisosoma.

Actividades lisosómicas en células vegetales

·      En las células vegetales los lisosomas no forman una entidad morfológicamente definida.

·      Estas células contienen una amplia variedad de hidrolasas ácidas capaces de digerir los constituyentes del citoplasma y los metabolitos.

·      Algunas vacuolas son capaces de autofagia extrema: al romperse la vacuola las hidrolasas son liberadas al citoplasma, que es digerido, causando la muerte celular.