Atlas de histología vegetal y animal

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La célula. 6

MITOCONDRIAS

Resumen Medio Ampliación
Índice de la página
1. Morfología
2. Fusión y fisión
3. Funciones
- ATP
- Metabolismo
- Otras
4. Importe de proteínas
5. Renovación

Las mitocondrias son orgánulos que aparecen en prácticamente todas las células eucariotas. Están formadas por una doble membrana, crecen en tamaño, se dividen, se fusionan y tienen una morfología cambiante. Las mitocondrias son orgánulos descendientes de alfa proteobacterias ancestrales respiratorias que se asociaron por endosimbiosis con linajes de arqueas para formar a las células eucariotas. Su principal función es la producción de energía, aunque desarrollan otras funciones.

1. Morfología

La morfología de las mitocondrias es muy cambiante y puede variar desde largas estructuras ramificadas a pequeños elipsoides. . Se podría decir que existen mitocondrias individuales y redes mitocondriales dinámicas. En red o aisladas, las mitocondrias están formadas por una membrana externa, una membrana interna, un espacio intermembranoso y un espacio interno delimitado por la membrana interna denominado matriz mitocondrial (Figuras 1 y 2).

Mitocondria
Figura 1. Las mitocondrias muestran una morfología diversa, desde largas y ramificadas a cortas y no ramificadas. Ultraestructuralmente presentan la membrana externa, el espacio intermembranoso, la membrana interna, que forma las crestas mitocondriales, y la matriz, que contiene el ADN y las moléculas que llevan a cabo el metabolismo mitocondrial.
Mitocondria
Figura 2. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión. A: Mitocondrias de un hepatocito. La flecha blanca señala una cresta mitocondrial. Se puede ver que la morfología externa de las mitocondrias, así como la de las crestas mitocondriales, es muy variable. B: Ampliación de una mitocondria en la que se puede observar la continuidad de la membrana mitocondrial interna con las crestas mitocondriales (flechas blancas). La flecha negra señala la membrana mitocondrial externa. C: La forma mitocondrial es muy variada. La flecha negra señala a una mitocondria muy alargada que se encuentra en el interior de una dendrita de una neurona. Barras: A y C: 0,4 µm; B: 50 nm.

La membrana mitocondrial externa es altamente permeable y contiene muchas copias de una proteína denominada porina, la cual forma canales acuosos a través de la bicapa lipídica. Así, esta membrana se convierte en una especie de tamiz que es permeable a todas las moléculas menores de 5000 daltons, incluyendo proteínas pequeñas.

La membrana mitocondrial interna es muy impermeable al paso de iones y pequeñas moléculas. Las mitocondrias deben hacer de su membrana interna una barrera suficientemente impermeable como para permitir un gradiente de protones estable. Las mitocondrias, carecen de colesterol, pero cuentan con la cardiolipina, que es un fosfolípido muy insaturado, con lo que aumenta la hidrofobicidad evitando una excesiva fluidez.

La membrana mitocondrial interna posee numerosos pliegues hacia el interior mitocondrial denominados crestas mitocondriales. Hay tres tipos morfológicos de crestas: discoidales, tubulares y aplanadas. Las crestas forman un compartimento distinto del resto de la membrana interna puesto que su contenido en proteínas es muy diferente. El número y forma de las crestas mitocondriales se cree que es un reflejo de la actividad celular. En las crestas se encuentran los complejos respiratorios funcionales y la ATP sintasa, además de las proteínas para el ensamblaje de los grupos sulfuro-hierro. Las crestas son una manera de incrementar enormemente la superficie para el acomodo de las proteínas de la cadena respiratoria y de las ATPasas. En una célula hepática la membrana mitocondrial interna puede suponer 1/3 del total de las membranas celulares.

En la matriz mitocondrial se encuentra el ADN, los ribosomas y los enzimas para llevar a cabo procesos metabólicos. El ADN mitocondrial se encuentra en lugares denominados nucleoides y cada nucleoide puede tener más de una molécula de ADN. Los nucleoides están asociados a la membrana mitocondrial interna, mediada por el complejo proteico denominado MitOS. También en el nucleoide hay proteínas para la replicación y reparación del ADN mitocondrial. Éste suele tener unos 16500 pares de bases con unos 37 genes que en humanos codifican para 13 proteínas. Dentro de una célula puede haber cientos de copias del ADN mitocondrial. La replicación del ADN mitocondrial no está acoplada al ciclo celular y en cualquier momento de la vida de la célula puede haber replicación de este ADN.

Las mitocondrias, o porciones de la red mitocondrial, son desplazadas desde unas partes de la célula a otras y suelen localizarse donde existe más demanda de energía o de calcio (ver más abajo). Los movimientos son saltatorios o discontinuos. Los desplazamientos de larga distancia están mediados por microtúbulos, mientras que los de corta distancia están mediados por los filamentos de actina. En los axones de las neuroans, las velocidades de las mitocondrias a lo largo de los microtúbulos son 0,1 a 1,4 µm/s.

Las mitocondrias se comunican entre sí por varios mecanismos como liberación de moléculas, contactos membrana membrana o por fusión/fisión total. También parece haber nanotúbulos que conectan temporalmente mitocondrias cercanas.

2. Fusión y fisión

Las mitocondrias se pueden dividir y fusionar entre sí con facilidad, y ocurre constantemente en las células, con la consiguiente mezcla de los ADN mitocondriales. Si se fusionan dos células que tienen mitocondrias diferentes, la red de mitocondrias es homogénea en 8 horas. Estos procesos de fusión y fisión son complejos puesto que han de hacerlos las dos membranas mitocondriales de forma correcta. El número de mitocondrias es difícil medirlo por la gran capacidad de fisión-fusión que poseen, pero en algunos tipos celulares se ha visto que el aumento del volumen mitocondrial está relacionado con el del volumen celular.

Las posibles funciones de la fusión y fisión de las mitocondrias son compartir los productos sintetizados por distintas partes de la red, paliar defectos locales, o compartir el ADN mitocondrial. Hay muchas evidencias de que la fusión de las mitocondrias aumenta cuando la célula está en nivel de estrés medio y tiene un carácter protector.

La división de las mitocondrias esta mediada por proteínas parecidas a las dinaminas (denominadas DRP) (Figura 3). El punto por donde las mitocondrias se dividen depende de la interacción con el retículo endoplasmático en las células de mamífero y de una constricción inicial de la mitocondria mediada por los filamentos de actina. Estos contactos sirven también para la transferencia de lípidos desde el retículo a la mitocondria, lo que es necesario para sintetizar algunos lípidos necesarios para la mitocondria como la fosfatidiletanolamina y la cardiolipina.

Mitocondria
Figura 3. Esquema que muestra la distribución de las mitocondrias en un fibroblasto (arriba). La fisión de mitocondrias se lleva acabo mediante diferentes componentes: retículo endoplasmático, filamentos de actina y las proteínas DRP (proteínas relacionadas con la dinamina). Las proteínas DRP parecen también participar en los procesos de fusión (modificado de Friedman and Nunnari 2014).

3. Funciones

La función primaria de las mitocondrias es la producción de ATP, que es el combustible de la mayoría de los procesos celulares. Pero también llevan a cabo parte del metabolismo de los ácidos grasos mediante un proceso denominado β-oxidación y actúan como almacén de calcio, formación de grupos hemo, síntesis de aminoácido y biogénesis de grupos hierro-sulfuro. También se han relacionado a las mitocondrias con la apoptosis, el cáncer, el envejecimiento, y con enfermedades como el Parkinson o la diabetes, así como con la respuesta inmune innata. Por otra parte, el estudio comparativo del ADN mitocondrial tiene una gran utilidad en el establecimiento de genealogías y en la antropología, ya que los genes mitocondriales provienen directamente por línea materna y no están sometidas a recombinaciones génicas debido a la reproducción sexual.

Producción de ATP

En las mitocondrias se produce la mayor parte del ATP de las células eucariotas no fotosintéticas. Metabolizan el acetil coenzima A mediante el ciclo enzimático del ácido cítrico, dando como productos al CO2 y al NADH. Es el NADH el que cede electrones a una cadena de transportadores de electrones que se encuentra las membranas de las crestas mitocondriales. Estos electrones pasan de un transportador a otro llegando como último paso al O2, resultando H2O. Este transporte de electrones se acopla al transporte de protones desde la matriz hasta el espacio interior de la cresta. Es este gradiente de protones el que permite la síntesis de ATP gracias a la ATP sintasa. Por unir fosfato al ADP y por usar el oxígeno como aceptor final de electrones, a este proceso se le llama fosforilación oxidativa. Las proteínas que realizan el transporte de electrones y la ATP sintasa se encuentra en las crestas mitocondriales, pudiendo llegar hasta el 80% del peso de la membrana mitocondrial.

La cadena transportadora de electrones se conoce como cadena respiratoria (Figura 4). Contiene unas 40 proteínas, de las cuales 15 participan directamente en el transporte de electrones. Todas estas proteínas se agrupan en tres complejos proteicos, cada uno de los cuales contiene varias proteínas. Se denominan: complejo de la NADH deshidrogenasa, complejo citocromo b-c1 y complejo de la citocromo oxidasa. Cada uno de ellos tiene grupos químicos que permiten el paso de protones a su través movidos por el transporte de electrones.

Síntesis de ATP
Figura 4. La producción de energía en las mitocondrias es un proceso de dos pasos: creación de un gradiente de protones entre ambos lados de la membrana de la cressta mitocondrial, producido por la cadena de transporte de electrones, y la síntesis de ATP por la ATP sintasa, que aprovecha dicho gradiente. Los dos procesos están asociados a las crestas mitocondriales.

El resultado es la creación de un gradiente de protones 10 veces menor en la matriz que en el espacio intermembranoso. Además, se crea un espacio cargado más negativamente en la matriz como consecuencia de la salida neta de cargas positivas respecto al espacio intermembranoso, que se vuelve más positivo. Se crea un gradiente electroquímico que hace que los protones tiendan a entrar de nuevo en la matriz.

La síntesis de ATP no es el único proceso en el cual se usa el gradiente de protones. Otras moléculas cargadas como el piruvato, el ADP y el fósforo inorgánico son bombeados a la matriz desde el citosol, mientras que otras como el ATP, que se sintetiza en la matriz, deben ser transportados al citosol. El fósforo inorgánico y el piruvato son transportados acoplándose al flujo hacia el interior de los protones en cotransporte simporte. En cambio el ADP se acopla en cotransporte de tipo antiporte con el ATP.

Metabolismo de lípidos

Una síntesis significativa de los lípidos de las células ocurre en las mitocondrias. Se produce el ácido lisofosfatídico, a partir del cual se sintetizan triacilgliceroles. También se sintetiza en las mitocondrias el ácido fosfatídico y el fosfatidilglicerol, este último necesario para la producción de cardiolipina y de la fosfatidil etanolamina.

Otras

Hay orgánulos derivados de las mitocondrias durante la evolución que han adquirido otras funciones. Por ejemplo, los hidrogenosomas están relacionadas con el metabolismo del hidrógeno y los mitosomas con el del sulfuro. Estos orgánulos carecen de ADN. Por otra parte, recientemente se ha involucrado a las mitocondrias, junto con el retículo endoplasmático, en la generación de los peroxisomas mediante la emisión de vesículas.

En situaciones de estrés las mitocondrias son capaces de desencadenar una respuesta encaminada a proteger frente a dicho estrés. Sin embargo, si las situación de estrés se prolonga y los daños que causa no pueden ser reparados se desencadena un proceso de muerte celular regulada denominada apoptosis. La vía intracelular para activar la apoptosis necesita de la participación de las mitocondrias. La apoptosis también se pone en funcionamiento en procesos morfogenéticos y fisiológicos.

Apoptosis
Apoptosis

4. Importe de proteínas

Eas mitocondrias tienen muy pocos genes comparado con la variedad de proteínas que poseen. Una mitocondria de levadura contiene aproximadamente unas 1000 proteínas diferentes, mientras que en humanos pueden ser unas 1500. Sólo una pequeña parte se sintetiza en la propia mitocondria. El resto han de ser sintetizadas en el citosol e importadas por la mitocondrias. Además, durante el proceso de importación han de dirigirse a su compartimento diana: membrana externa o interna, o matriz mitocondrial. Para ello las proteínas tienen secuencias que actúan como señales a modo de dirección postal, que indican a las moléculas importadoras a dónde deben dirigirlas.

5. Renovación de mitocondrias

El conjunto de las mitocondrias de una célula está en constante renovación mediante la eliminación y la síntesis de otras nuevas. La síntesis de mitocondrias sólo se puede producir a partir de otra existente y son eliminadas como orgánulos por un proceso llamado macroautofagia, que es un proceso general de eliminación de grandes cantidades de contenido citoplasmático.

Peroxisomas
Plastos
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