Membrana mitocondrial externa y espacio intermembranal
La membrana mitocondrial externa posee gran número de porinas, que son proteínas transmenbranales de paso múltiple. Cada porina forma un gran conducto acuoso a través del cual pueden pasar moléculas hidrosolubles de hasta 10 kilodaltones. Como esta membrana es relativamente permeable a las moléculas pequeñas, entre ellas proteínas, el contenido del espacio intermembranal se parece al citosol. Las proteínas adicionales que están en la membrana externa son las encargadas de la formación de los lípidos mitocondriales.
Membrana mitocondrial interna
La membrana mitocondrial interna, que encierra al espacio de la matriz, está replegada para formar crestas. Esta membrana está ricamente dotada de cardiolipina, fosfolípido que posee cuatro cadenas aciladas grasas en vez de las dos ordinarias. La presencia de este fosfolípido en alta concentración vuelve a la membrana interna casi impermeable a iones, electrones y protones.
Las membranas mitocondriales interna y externa establecen contacto entre sí en ciertas regiones; estos sitios de contacto actúan como vías para las proteínas y las pequeñas moléculas que entran y salen del espacio de la matriz. Esto sitios de contacto están compuestos por proteínas transportadoras que conducen a proteínas regulatorias para el reconocimiento de los marcadores que indican la transportabilidad de macromoléculas específicas. Estos mismos sitios de contacto se utilizan también para el transporte de proteínas hacia el espacio intermembranal, en tanto las proteínas cuenten con marcadores específicos para su entrada en dicho espacio.
Vista en preparaciones con tinción negativa, esta membrana pone de manifiesto la presencia de gran número de subunidades de la membrana interna en forma de "palillos cortos de tambor", que son complejos proteínicos conocidos, como la sintetasa del ATP, que se encargan de la generación de ATP a partir del ADP y de fosfato inorgánico. La cabeza globular de la subunidad, de unos 10 nm de diámetro, se encuentra conectada con un pedículo estrecho y aplanado de forma cilíndrica de 4 nm de ancho y 5 nm de largo, que se proyecta desde la membrana interna hacia el espacio de la matriz (fig. 2-25e).
Las mitocondrias son orgánulos que aparecen en prácticamente todas las células eucariotas. Una excepción son los arqueozoos, eucariotas que no poseen mitocondrias, probablemente porque las perdieron durante la evolución. La mitocondria se reconoció como una parte elemental de la vida a finales del siglo XIX. Altman (1980) descubrió unas estructuras celulares que denominó bioblastos que se podían teñir con fucsina y que se observaban en todas las células eucariotas. En 1914 ya se sabía que las mitocondrias podían adoptar diferentes formas, como bastones, hilos o entramados. Con la llegada del microscopio electrónico se comprobó que estaban formadas por una doble membrana. En 1962 se propuso que las mitocondrias crecían en tamaño y posteriormente se dividían por fisión, con lo cual su morfología era cambiante. Actualmente hay sustancias fluorescentes que permiten estudiar la dinámica de las mitocondrias in vivo.
La morfología de las mitocondrias es muy cambiante y puede variar desde largas estructuras ramificadas a pequeños elipsoides. Se pueden dividir y fusionar entre sí con facilidad, con la consiguiente mezcla de sus ADNs. Si se fusionan dos células que tienen mitocondrias diferentes la población de mitocondrias es homogénea en 8 horas. Este proceso de fusión y fisión es complejo puesto que han de hacerlo las dos membranas de forma correcta. El número de mitocondrias es difícil medirlo por la 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 mitocondrias tienen una extraordinaria motilidad dentro de la célula y suelen localizarse donde existe más demanda de energía o de calcio (ver más abajo). Las mitocondrias viajan desde unas partes de la célula a otra. Esto es epecialmente importante en las neuronas donde las mitocondrias se trasladan desde el soma hasta los lugares más distantes de las dendritas y axones, desde donde pueden volver al soma de nuevo. Los movimientos son saltatorios y los de larga distancia están mediados por microtúbulos, mientras que los de corta distancia están mediados por los filamentos de actina. Aunque a veces, tanto microtúbulos como filamentos de actina sirven para su anclaje. En los axones, las velocidades de las mitocondrias a lo largo de los microtúbulos son 0.1 a 1,4 µm/s. Parece haber también un movimientos lento de 50 µm/h en axones en crecimiento.
Las mitocondrias están formadas por una membrana externa, una membrana interna, unespacio intermembranoso y un espacio interno delimitado por la membrana internadenominado matriz mitocondrial.
Las mitocondrias muestran una morfología diversa, desde largas y ramificadas a cortas y no ramificadas. Ultraestructuralemente 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.
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.
Por el contrario la membrana mitocondrial interna es impermeable al paso de iones y pequeñas moléculas. Por tanto la matriz mitocondrial sólo contiene aquellas moléculas que puedan ser transportadas selectivamente por esta membrana, siendo su contenido altamente diferenciado del citosol. La membrana mitocondrial interna posee numerosos pliegues hacia el interior mitocondrial denominados crestas mitocondriales. Hay tres tipos morfológicos: discoidales, tubulares y aplanadas. las crestas forman un compartimento distinto del resto de la membrana interna puesto su contenido en proteínas es muy diferentes. El número y forma de las crestas se supone un reflejo de la actividad celular.
Imágenes de microscopía electrónica de transmsión. 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.
En la matriz mitocondrial se encuentra el ADN, los ribosomas y los enzimas para llevar a cabo procesos metabólicos como la β-oxidación. El ADN mitocondrial se encuentra en lugares denominados nucleoides y cada nucleoide puede tener más de una molécula de ADN. Una mitocondria puede tener varios nucleoides. El ADN mitocondrial suele tener unos 16500 pares de bases con unos 37 genes que codifican para 13 proteínas componentes de la cadena respiratoria, 2 ARNr y ARNt suficientes para la síntesis de proteínas.
Una de las funciones más importantes 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. Recientemente se han relacionado a las mitocondrias con la apoptosis, el cáncer, el envejecimiento, o con enfermedades como el Parkinson o la diabetes. Además, 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 en la membrana interna. 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 intermembranoso. Este gradiente es 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. En las bacterias aeróbicas, que no poseen mitocondrias, este proceso ocurre en sus membranas celulares.
La producción de energía en las mitocondrias es un proceso de dos pasos: creación de un gradiente de protones en el espacio intermembranoso, 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 la membrana mitocondrial interna, en las crestas mitocondriales.
Las proteínas que realizan el transporte de electrones y la ATP sintasa se encuentra en las crestas mitocondriales, los pliegues de la membrana interna. Precisamente la presencia de estos pliegues es una manera de incrementar la superficie en la que se asientan las proteínas de la fosforilación oxidativa. En una célula hepática la membrana mitocondrial interna puede suponer 1/3 del total de las membranas celulares. Existen múltiples copias tanto de proteínas transportadoras como de ATP sintasas, pudiendo llegar hasta el 80% del peso de la membrana mitocondrial.
Cadena transportadora de electrones. La cadena que lleva a cabo el transporte de electrones se conoce como cadena respiratoria. 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.
El recorrido de los electrones comienza cuando un ion hidruro es cedido por el NADH. De este ion se desprenden dos electrones y un protón. Esto se produce en el complejo de la NADH deshidrogenasa, el cual acepta los electrones. Tales electrones pasan al complejo b-c1 gracias a moléculas intermedias. Entre el primer complejo y el segundo actúa actúa proteína ubiquinona. El paso de los electrones por el complejo NADH-deshidrogenasa y b-c1 produce la extrusión de dos protones, uno en cada complejo, desde la matriz hasta el espacio intermembranoso. Los electrones viajan entonces hasta el complejo citocromo C que transfiere electrones al complejo de la citocromo oxidasa. En este tercer complejo se transporta otro protón al espacio intermembranoso y los electrones son aceptados por el oxígeno.
El proceso de transferencia de electrones es como en las pilas eléctricas donde los electrones pasan de un material cargado de electrones y con poca afinidad por ellos a otro que tiene una mayor afinidad. Ese salto desprende energía que se utiliza para transportar protones en contra de su gradiente de concentración. Los electrones en el NADH, que están retenidos con poca fuerza, saltan al complejo NADH y así sucesivamente. Si no existiesen los complejos de la cadena respiratoria la energía, en vez de utilizarse para bombear protones, se perdería en forma de calor. El resultado es la creación de un gradiente de protones, 10 veces mayor 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.
ATP sintasa. Este enzima crea una vía hidrofílica en la membrana mitocondrial interna que permite a los protones volver a favor de gradiente electroquímico desde el espacio intermembranoso hasta la matriz mitocondrial. Este cruce se acopla a la producción de energía en forma de ATP. La ATP sintasa es un enzima altamente conservada durante la evolución y aparece en bacterias, en los cloroplastos de las células fotosintéticas y en todas las mitocondrias. Es una proteína de gran tamaño formada por muchas subunidades. El mecanismo de generación de ATP no está claro pero se sabe que por cada molécula de ATP se deben desplazar 3 protones. Es capaz de producir más de 100 moléculas de ATP por segundo. Un hecho interesante es que la ATP sintasa puede realizar el proceso contrario, es decir, usar ATP para bombear protones al exterior. Esto dependerá de la concentración de protones a un lado y otro de la membrana.
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 cambio el ADP se acopla en cotransporte 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 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.
Importe de proteínas
Las mitocondrias tienen muy pocos genes comparado con la cantidad de proteínas que poseen. Una mitocondria de levadura contiene aproximadamente unos 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 ha de dirigerse a su compartimento diana: membrana externa o interna, o matriz mitocondrial. Para ello las proteínas tienen secuencias que actún como señales a modo de dirección postal, que indican a las moléculas importadoras a dónde deben dirigirlas.
Muchas células se especializan en la pinocitosis de diversos tipos de macrocélulas. La forma más eficiente para capturar a estas sustancias depende de la presencia de proteínas receptoras (receptores de carga) en la membrana celular. Los receptores de carga son proteínas transmembranales que se relacionan con la macromolécula en particular (ligando) a nivel extracelular y con una cubierta de clatrina a nivel intracelular ( 2-19e).
El ensamblaje de trisqueliones de clatrina por debajo de los receptores de carga forma una fosita cubierta por clatrina (2-20t y 2-21t), que acaba por convertirse en vesícula pinocítica, que encierra al ligando y lo desplaza hacia el interior de la célula. Este método se conoce como endocitosis mediada por receptor. Permite a la célula incrementar la concentración del ligando (como lipoproteína de baja densidad) dentro de la vesícula pinocítica.
Tiene interés señalar que una vesícula pinocítica típica puede tener hasta 1000 receptores de carga de diversos tipos, puesto que puede fijar diferentes macromolèculas. Cada receptor de carga se enlaza con su propia adaptina, proteína con un sitio de fijación para la porción citoplasmáitca del receptor, y un sitio de fijación para el trisquelión de clatrina.
ENDOSOMAS
Poco después de su formación, las vesículas pinocíticas pierden su cubiertas de clatrina (que vuelven a la reserva de los triqueliones de clatrina en el citosol) y se fusionan con endosomas tempranos ( 2-19e y 2-22t), sistema de vesículas y túbulos que se encuentran cerca de la membrana plasmática. Si requiere degradación todo el contenido de la vesícula pinocítica, el material de cada endosoma temprano se transferirá a un endosoma tardío.
La endocitosis mediada por receptor (EMR), es otra forma de endocitosis, que difiere de la fagocitosis o la pinocitosis en varios aspectos:
 | El EMR permite a las células tomar macromoléculas específicas llamadas ligandos, tales como proteínas que ligan la insulina (una hormona), transferrina (una proteína que se liga al hierro) o portadores de colesterol y lipoproteínas de baja densidad. |       |
| El EMR requiere de receptores de membrana específicos, para reconocer un ligando particular y unirse a el. | |
| Los complejos ligando-receptor migran a lo largo de la superficie de la membrana a estructuras llamadas hoyos revestidos. Justo dentro del citoplasma, estos hoyos están bordeados de una proteína, la cual puede polimerizarse en una estructura en forma de jaula. Cuando la jaula se forma, se forma una vesícula de membrana. | |
| Las vesículas se mueven dentro del citoplasma, llevando el ligando del fluido extracelular dentro de la célula. Los materiales unidos al ligando, tales como hierro o colesterol, son movidos dentro de la célula, mientras el ligando vacío regresa a la superficie, o el ligando puede ser destruido. | |
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