FUNCIONES DE LAS MITOCONDRIAS

La función principal de las mitocondrias es generar ATP.

En presencia de O2, mediante la descarboxilacón oxidativa, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa, la mitocondria traslada al ADP – para formar ATP – la energía depositada en las uniones quimias de las moléculas de los alimentos. Analizaremos estos procesos en el escenario biológico en que tienen lugar, es decir cada uno en su respectivo sector dentro del andamiaje estructural de la mitocondria.

La descarboxilación oxidativa se produce en la matriz mitocondrial.

Proveniente del citosol, el piruvato ingresa en la matriz mitocondrial, donde por acción de la piruvato deshidrogenasa pierde un C y se convierte en el grupo acetilo de la acetil CoA.

Esquema general de la degradación de los alimentos

Estructura química de la acetilcoenzima A

Recordemos que en esta conversión, además de CO2, se genera energía suficiente para formar un NADH, de modo que por cada molécula de glucosa se originan dos de estos dinucleótidos.A los grupos acetilo generados a partir de los piruvatos deben sumarse los derivados de la escisión de los ácidos grasos y del metabolismo de algunos aminoácidos. Cualquiera que sea su origen, siempre en la matriz mitocondrial, el grupo acetilo de cada acetil CoA se incorpora al ciclo de Krebs. Para ello se combina con una molécula de 4 C – el ácido oxalacético – para formar otra de 6C llamada ácido cítrico, con la que se inicia el ciclo.

También las reacciones del ciclo de Krebs se producen en la matriz mitocondrial.

Como puede apreciarse en la figura, el ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico) consiste en una serie de nueve reacciones químicas Estas actúan secuencialmente, y lo hacen de modo tal que el último de sus productos vuelve a ser un ácido oxalacético, el cual, al combinarse con el grupo acetilo de otro acetil CoA, genera otro ácido cítrico, lo que inicia un nuevo ciclo y así sucesivamente mientras haya O2 y grupos acetilo disponibles.Al cumplirse cada vuelta del ciclo de Krebs, dos de los seis carbonos del ácido cítrico se oxidan a CO2. Ello genera energía suficiente para formar un ATP, tres NADH y un FADH2. Puesta que son necesarias dos vueltas del ciclo para metabolizar las dos acetil CoA derivadas de la glucólisis de una molécula de glucosa, cada uno de estos monosacáridos da lugar a dos ATP, seis NADH y dos FADH2. Debe advertirse que el ATP se genera a partir de GTP, que es trifosfato surgido del ciclo.Las moléculas de CO2, tanto las formadas en la descarboxilación oxidativa como en el ciclo de Krebs, pasan al citosol, de éste al espacio extracelular y finalmente a los eritrocitos, que las transportan hacia los pulmones para su eliminación.

El ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico) en las mitocondrias. Están representadas las sucesivas reacciones, las enzimas intervinientes y los productos del ciclo.

Las oxidaciones de la fosforilación oxidativa tienen lugar en la membrana interna de la mitocondria.

La energía contenida en los NADH y FADH2 – provenientes de la decarboxilación oxidativa y ciclo de Krebs – se transfiere al ATP luego de una serie de reacciones químicas que comienzan con la ionización de ambos dinucleótidos. Luego los átomos de H liberados como consecuencia de las ionizaciones se disocian en H+ y e-. Ambas reacciones pueden expresarse mediante las siguientes ecuaciones.

NADH -> NAD+ + 2e- + H+

FADH -> FAD + 2e- + 2H+

Es importante señalar que los e- surgidos de estos procesos poseen un elevado potencial de transferencia, es decir, una elevada carga de energía. En esas condiciones ingresan en la cadena transportadora de electrones, cuyos componentes fueron enumerados cuando se describió la membrana interna de la mitocondria.Dado que cada componente de la cadena posee por los e- una afinidad mayor que su predecesor, los e- - ricos en energía al ingresar en la cadena- fluyen por ella en el siguiente orden:

Para los e- cedidos por los átomos de H del NADH, el punto de entrada NADH deshidrogenasa. Desde ésta pasan a la ubiquinona, que los transfiere al complejo b-c1. Los e- dejan este complejo e ingresan al citocromo c, desde el cual pasan al quinto y último eslabón de la cadena, la citocromo oxidasa. Finalmente, luego de haber gastado la mayor parte de su energía, los e- pasan a la matriz mitocondrial.Por su lado, los e- cedidos por los H del FADH2 tienen como punto de entrada la ubiquinona, a la partir de la cual fluyen por los restantes eslabones de la cadena en el mismo orden en que lo hacen los e- cedidos por los H del NADH.Como vemos, en el curso de las reacciones de oxidorreduccion que tienen lugar a lo largo de la cadena respiratoria, el potencial de transferencia de los electrones va disminuyendo, de modo que en casa etapa pasan a un estado de menor energía, que termina considerablemente reducida cuando abandona el último eslabón de la cadena. A continuación analizaremos en que se gasta esa energía.Es utilizada para transferir H+ disueltos en la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. Ello requiere energía, ya que los H+ deben ser transportados desde un medio en el que se hallan menos concentrados a otro en el que su concentración es mayor (transporte activo). El mecanismo que hace posible el bombeo de los H+ no ha podido ser determinado.No obstante se sabe que los H+ salen al espacio intermembranoso a través de algunas proteínas de los complejos enzimáticos que integra la cadena respiratoria, las cuales actuarían como verdaderas bombas de H+.Al existir un gradiente de concentración de H+ entre ambos lados de la membrana mitocondrial interna, se establece un gradiente de pH (más alto en la matriz mitocondrial) y se afirma el potencial de membrana, que se hace más positivo en el espacio intermembranoso. Ambos – el gradiente de pH y el potencial de membrana- componen un gradiente electroquímico que se traduce en una energía potencial singular, llamada protomotriz o protón, que impulsa a los H+ a regresar a la matriz mitocondrial, ahora por transporte pasivo. En síntesis, conforme la energía suministrada por los e- transfiere los H+ al espacio intermembranoso, es absorbida por los propios H+, que la retienen, como acabamos de señalar, como energía protomotriz.

Un sector de la mitocondria que muestra los complejos moleculares integrantes de la cadena transportadora de electrones (o cadena respiratoria) y la ATP sintetasa.

La fosforilacion del ADP es mediada por la ATP sintetasa.

Anteriormente vimos que la ATP sintetasa está integrada por dos unidades que poseen localizaciones y funciones diferentes. Una atraviesa la bicapa lipidia (porción transmembranosa o F0) y la otra da hacia la matriz mitocondrial (porción F1). La porción transmenbranosa es la que permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial, mientras que la porción F1 tiene por función catalizar la síntesis de ATP a partir de ADP y P (fosforilación); así bien son procesos acoplados, se cumplen en lugares diferentes de a ATP sintetasa. La energía necesaria para esta síntesis es tomada de la energía protomotriz de los H+, que la van perdiendo durante su regreso a la matriz mitocondrial.Por cada uno de los NADH procesados se generan tres ATP, y dos por cada FADH2.La ATP sintetasa puede llamarse ATPasa, ya que es capaz de hidrolizar moléculas de ATP a ADP y fosfato. La energía liberada durante hidrólisis puede servir para bombear H+ al espacio intermembranoso a través de la porción F0. No obstante, recibe el nombre de ATP sintetasa porque en la matriz mitocondrial el cociente ATP/ADP normalmente es inferior a la unidad, lo cual lleva a la síntesis y no a la hidrólisis de ATP.Como puede apreciarse, la ATP sintetasa funciona como una turbina que convierte una clase de energía – la protomotriz, derivada del gradiente de concentración de los H+- en otra más provechosa para la célula – la energía química depositada en las moléculas de ATP.El ATP sale al citosol a través de una proteína transmembranosa localizada en la membrana mitocondrial interna, la ATP-ADP translocasa.Como su nombre lo sugiere, por cada ATP que la atraviesa debe pasar un ADP en dirección contraria, es decir, desde el citosol a la matriz mitocondrial.

Representación gráfica de la ATP sintetasa en la membranamitocondrial interna

Los H+ y los e- se combinan con el oxígeno para formar agua.

Cabe ahora indagar sobre el destino de los e-, los cuales, luego de perder una parte sustancial de energía, han abandonado la cadena respiratoria y regresado a la matriz mitocondrial. Se combinan tanto con el O2 que procede de la atmosfera como con los H+ provenientes del espacio intermembranoso, lo que da lugar a la formación de H2O. La atracción de los e- por el O2 se debe a que poseen una gran afinidad por éste, mayor de la que tienen por la cadena transportadora.Con la formación del H2O culmina la fosforilación oxidativa; se necesita 4 e- y 4 H+ por O2 para que produzcan 2 moléculas acuosas. El H2O es uno de los productos finales del metabolismo (el otro es CO2); pasa al citosol, desde donde sale al espacio extracelular para ingresar en la sangre y eliminarse con la orina.

Los NADH generados durante la glucólisis no ingresan en las mitocondrias.

Hasta ahora hemos soslayados el destino de los NADH generados durante la glucólisis. A diferencia de los NADH formados en las mitocondrias, que como vimos rinden tres ATP cada uno, los de la glucólisis dan lugar a dos ATP. Este menor rendimiento energético se debe a que el NADH citosólico no puede ingresar en la mitocondria debido a que sus membranas son impermeables a aquél Para que el NADH pueda ceder su energía, ingresan en la mitocondria solo sus e-, ya que no el propio NADH. Ello es posible porque ciertas moléculas itosólicas actúan como “lanzaderas”.Estas, luego de captar a los e- del NADHH (las lanzaderas se reducen), los conducen a las mitocondrias, donde los transfieren a otra molécula (las lanzaderas se oxidan); retornan sin ellos al citosol para poder repetir la operación. Una de las lanzaderas más conocidas es el glicerol 3-fosfato, que entra en el espacio intermembranoso y se pone en contacto con la cara exterior de la membrana mitocondrial interna y por intermedio de ésta, con un FAD, al que le cede los e -. Se forma por lo tanto un FADH2, que como sabemos se vincula con la cadena respiratoria a través de la ubiquinona (vimos que cuando los e- ingresan por este transportador dan lugar a dos ATP en lugar de tres).

Sistema de “lanzadera” para transportar a la mitocondria los electrones de los NADH generados durante la glucólisis

En presencia de oxígeno, por cada molécula de glucosa se generan 36ATP.

Para efectuar el cálculo de la energía ganada en unidades de ATP al cabo de una oxidación de una molécula de glucosa es necesario sumar la energía producida por el citosol durante la glucólisis a la gestada en las mitocondrias, en estas últimas tanto al formarse la acetil CoA a partir del piruvato como durante el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.Durante la glucólisis se generan 4 moléculas de ATP. Debido a que se gastan 2, en esta etapa hay una ganancia neta de 2 ATP, pero además de generar 2 NADH, que por ser citosólicos producen 2 ATP cada uno, 4 en total. Así, el aporte de la glucólisis es de 6ATP, 2 generados directamente en el propio citosol y 4 en las mitocondrias a partir de los e- suministrados por 2 NADH que da lugar a la glucólisis.Los dos piruvatos que se forman a partir de la glucólisis entran en la mitocondria, donde por descarboxilación oxidativa se convierten en otras tatas moléculas de acetil CoA. El proceso genera 2 NADH, uno por cada piruvato. Dado que la fosforilación oxidativa de cada NADH da lugar a 3 ATP, esta etapa rinde 6 ATP.Cada una de las Acetil Coa, en el ciclo de Krebs, genera 1 ATP, 3NADH y 1 FADH 2, de modo que al cabo de las dos vueltas que se necesitan para metabolizar las dos acetil CoA surgen 2ATP, 6NADH y 2FADH2, dado que la fosforilación oxidativa de cada NADH genera 3ATP y la de cada FADH2, 2ATP, a los 2 ATP surgidos de las dos vueltas del ciclo de Krebs deben sumárseles 18ATP aportados por los 6NADH más 4 ATP aportados por los 2 FADH2, lo que hace un global de 24 ATP.Sumandos a los 6 ATP de la glucólisis más de la descarboxilación oxidativa. La ganancia neta por molécula de glucosa s de 36 ATP. Compárese esta producción con los exiguos 2ATP generados en el citosol y se tendrá una idea de la importancia de las mitocondrias para aportar energía para el funcionamiento de las células consumidoras de oxígeno.

En las células musculares el piruvato puede convertirse en lactato.

Las células musculares, cuando sobrepasan un determinado nivel de actividad, agotan el O2 atmosférico que les llega por medio de los glóbulos rojos, situación por demás normal. Ante la falta de O2, el piruvato, en vez de convertirse en el grupo acetilo de la acetil CoA, se transforma en lactato.Este proceso metabólico se conoce con el nombre de fermentación láctica. Como es obvio, el ciclo de Krebs, y en consecuencia la fosforilación oxidativa, se omiten. El

lactato acumulado en las células musculares pasa a la sangre, y por ésta al hígado. En los hepatocitos – vía piruvato – el lactato vuelve a convertirse en glucosa, que nuevamente utilizará la célula muscular si la demanda de energía lo exigiere.

En las mitocondrias de la grasa parda la energía generada por las oxidaciones se disipa en forma de calor.

Si la energía protomotriz de los H+ presentes en el espacio intermembranoso no se rescatara para formar ATP, los H+, al volver a la matriz mitocondrial, igual se unirían a los e- y al O2 para formar H2O, pero la energía protomotriz, al cabo de la reacción, se convertiría en energía térmica, es decir, se disiparía como calor. Esto es lo que ocurre en las células adiposas de la llamada grasa parda, cuyas mitocondrias son incapaces de transferir la energía protomotriz al ATP. Ello se debe a que en la membrana interna de dichas mitocondrias existe una proteína transportadora de H+ - denominada termogenina- que, al no poseer la función enzimática de la ATP sintetasa (porción F1), permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial sin que su energía sea utilizada para formar ATP. En consecuencia, la energía protomotriz, al reaccionar los H+ con los e- y el O2 atmosférico durante la formación de H2O, se disipa como calor.La grasa parda es un tejido que se encuentra en los recién nacidos, particularmente en la región interescapular. Si el niño nace en un medio ambiente muy frio, los triglicéridos depositados en las células de dicha grasa se degradan y generan calor en lugar de ATP. Como vemos, la grasa parda puede ser vital en el momento del nacimiento al permitir una rápida adaptación de los recién nacidos a las bajas temperaturas.

Las mitocondrias poseen otras funciones.

Remoción del Ca+2 del citosol. Normalmente esta función está a cargo del retículo endoplamático. No obstante cuando la concentración de Ca+2 aumenta en el citosol a nivel que puede ser peligroso para la célula, se pone una acción de Ca+2 ATPasa localizada en la membrana interna de los mitocondrias, que al bombear el Ca+2 hacia la matriz mitocondrial lo retira del citosol.Síntesis de aminoácidos. A partir de determinadas moléculas intermediarias del ciclo de Krebs, las mitocondrias de los hepatocitos intervienen en la síntesis de algunos tipos de aminoácidos presentes en el organismo.Síntesis de esteroides. En algunas células de la corteza suprarrenal, los ovarios y los testículos, las mitocondrias participan en la síntesis de diversos esteroides (función esteroidogénica). Para ello, el colesterol captado por las células debe ser transportado hacia las mitocondrias, donde, por acción de una enzima localizada en la membrana mitocondrial interna, se convierte en pregnenolona. La pregnenolona sale de la mitocondria e ingresa en el retículo en el retículo endoplasmático. Allí continúa su metabolismo mediante diversas enzimas que actúan secuencialmente. En el caso de la corteza suprarrenal, dan lugar a desoxicorticosterona, desoxicortisol y al andrógeno androstenodiona. Los dos primeros esteroides luego de abandonar el retículo endoplasmático, regresan a las mitocondrias, donde, por acción de la 11β-hidroxilasa, la desoxicorticosterona se convierte en corticosterona y el desoxicortisol en cortisol. Estos glucorticoides son producidos en las células de las zonas fasciculadas de la

corteza suprarrenal. Posteriormente en las células de la zona glomerulosa, por acción de la 18-hidroxilasa y la 18-hidroxiesteroide oxidasa, la corticosterona se convierte en el mineralocorticoide aldosterona. La mayor parte de los pasos metabólicos mencionados son oxidaciones, en cuyo transcurso una familia de citocromos presentes en la mitocondria - los citocromos P450 – actúan como aceptores de electrones.

REPRODUCCION DE LAS MITOCONDRIAS

Las mitocondrias se reproducen para reemplazar a las que desaparecen y su número se duplica antes de cada división celular.

Para que las células puedan dividirse en todos sus componentes – incluidas las mitocondrias – deben previamente duplicarse. En las células que no se multiplican, o que poseen interfaces prolongadas, las mitocondrias envejecen y son degradadas por los autofagosomas; no obstante, su número permanece relativamente estable, debido a la formación de nuevas mitocondrias. Así sea para su renovación o por necesidades derivadas de la proliferación celular, las mitocondrias deben estar dotadas de un mecanismo que les permita multiplicarse en cantidades adecuadas y en los momentos oportunos.La reproducción de las mitocondrias no se produce como consecuencia de un ensamblaje espontáneo de los componentes que la integran sino por la división (fisión) de mitocondrias preexistentes, las cuales deben previamente duplicar su tamaño.La reproducción de las mitocondrias se produce durante todo el ciclo celular, tanto en la interfase como en la mitosis. No obstante, no todas las mitocondria se multiplican; por ende, algunas deben dividirse repetidas veces durante el curso de un mismo ciclo celular a fin de compensar a las que omiten hacerlo.

Reproducción de las mitocondrias.

Algunas proteínas mitocondriales son generadas en las propias mitocondrias.

La mayor parte de los componentes con las cuales se construyen las mitocondrias provienen del citosol, en tanto unos pocos – dado que este organoide cuenta con los recursos para elaborarlos – se producen en su propio territorio. En efecto, la mitocondria posee varias copias de una misma molécula de ADN, a partir de la cual se transmiten 13ARNm distintos (base para la síntesis de otras tantas proteínas), 22ARNt

y dos clases de ARNr, uno correspondiente a la subunidad mayor de los ribosomas mitocondriales y el otro a la subunidad menor. Todas estas moléculas se encuentran en la matriz mitocondrial, hallándose las moléculas de ADN ancladas por algunos de sus puntos a la membrana interna del organoide.Con la llegada desde el citosol de los correspondientes aminoácidos, en los ribosomas mitocondriales se sintetizan las siguientes 13 proteínas, la mayoría pertenecientes a la cadena respiratoria:

7 subunidades de la NADH deshidrogenasa Una del citocromo b Tres del citocromo oxidasa Dos subunidades de la ATP sintetasa

El ADN mitocondrial es diferente del ADN nuclear.

El ADN mitocondrial presenta las siguientes particularidades, que lo diferencian del ADN nuclear:

1. Es circular, carece de histonas y se replica a partir de un solo punto de origen.2. Es muy pequeño. En casi todos los tipos celulares la suma de los ADN tomados

de todas las mitocondrias representa no más del 1% del ADN nuclear.3. Posee muy pocas y a la vez muy cortas secuencias no esenciales, es decir, que

no codifican ninguna clase de ARN.4. Genera 22 tipos de ARNt, en lugar de los 31 que transcribe el ADN nuclear.5. Los dos tipos de ARNr que codifica (12S y 16S) dan lugar a ribosomas con un

coeficiente de sedimentación de 55S, inferior al de los ribosomas citosólicos (80S) y al de los procariotas (70S). La síntesis de proteínas en los ribosomas mitocondriales es inhibida por varios antibióticos, como las tetraciclinas, el cloranfenicol y la eritromicina.

6. En su código genético existen cuatro codones cuyas instrucciones difieren de las de sus pares del ADN nuclear. Se trata de los codones AGA, AGC, AUA y UGA. En el ADN nuclear los dos primeros corresponden al aminoácido arginina, mientras que el ADN mitocondrial, se comportan como codones de terminación. El codón AUA en el ADN nuclear determina a la isoleucina, y en el ADN mitocondrial, a la metionina. El codón UGA en el genoma nuclear es un codón de terminación, y en el mitocondrial determina al triptófano.

7. Se transcriben sus dos cadenas. Casi todos los ARNm, 14ARNt y los 2ARNr residen en una de las cadenas, mientras que 8ARNt y los restantes ARNm pertenecen a la otra.

8. Apenas las moléculas de ARN se sintetizan, son procesadas. Así, los ARN son seccionados en los puntos en que se unen los genes transcriptos, y son degradadas sus partes no traducibles.

9. Las mitocondrias poseen varias copias de un mismo ADN, y no dos como en ADN nuclear. Pero lo más singular no es la diferencia en el número de copias sino que son heredadas enteramente de la madre, ya que, como se sabe, en el momento de la fecundación virtualmente todas las mitocondrias (y por ende las moléculas de ADN mitocondrial) son aportadas por el ovocito.

A. ADN circular de la mitocondria humana en la que se representan sus dos cadenas, con los genes de los dos ARNr, los genes de los 22 ARNt y los genes de algunos de los 13ARNm.B. ADN mitocondrial de una célula de rata observado con la técnica de extendido y sombreado metálico.

La síntesis de las proteínas mitocondriales requiere una adecuada coordinación.

Aunque la mitocondria posee ADN, ARNm, ARNt y ribosomas propios, las proteínas que fabrica son muy pocas – 13 en total –; por consiguiente, la mayor parte de las que necesita para su crecimiento y reproducción debe importarlas desde el citosol. Dada esa doble procedencia, se requiere una perfecta coordinación entre las actividades de los genomas mitocondriales y nuclear para que todos los componentes de la mitocondria sean producidos en las proporciones adecuadas. Las proteínas importadas son producidas en el ribosomas citosólicos libres (no asociados al retículo endoplasmático). Entre las más importantes se encuentran las del complejo enzimático piruvato deshidrogenasa, las enzimas responsables del ciclo de Krebs, las que escinden a los ácidos grasos, muchas de las proteínas requeridas para la fosforilación oxidativa, las que se asocian a los ribosomas mitocondriales, la ADN polimerasa, la ARN polimerasa, las proteínas transmembranosas que transportan iones y moléculas a través de la membrana interna, etc. La incorporación de las proteínas a las membranas y a los compartimientos mitocondriales adecuados es el residuo de un proceso complejo.

Conforme surgen sus respectivos ribosomas, las proteínas mitocondriales producidas en el citosol se asocian con una proteína chaperona de la familia hsp70, la cual mantiene a las moléculas proteicas desplegadas, condición necesaria para que logren ser conducidas hasta la mitocondria y puedan ser translocadas a través de sus membranas sin dificultad. La translocación es un proceso complejo, durante el cual las proteínas importadas se desprenden de la chaperona hsp70 citosólica y se asocian a una chaperona hsp70. Este proceso requiere energía, que es tomada del ATP. Las proteínas se liberan de la segunda chaperona hsp70 apenas arriban a la matriz mitocondrial, donde comienzan a plegarse. Para poder hacerlo necesitan asociarse a

otra chapetona – ésta perteneciente a la familia hsp60 –, con cuya ayuda adquieren las estructuras secundarias y terciarias apropiadas.Todas las proteínas importadas desde el citosol incluyen en el extremo amino de sus moléculas un péptido señal, compuesto por unas pocas decenas de aminoácidos. Dada la información contenida en el péptido señal, apenas las proteínas surgen de los ribosomas son conducidas hacia las mitocondrias, en cuyas membranas existen receptores para el péptido. Las proteínas atraviesan las membranas e ingresan en la matriz mitocondrial. Como vimos, este pasaje requiere energía. A continuación una proteasa elimina el péptido señal de las proteínas, que pueden permanecer en la matriz, insertarse en la membrana interna o pasar al espacio intermembranoso. Sus destinos dependen de señales adicionales presentes en las proteínas, situadas al lado del péptido señal escindido.

Ingreso de las proteínas en la mitocondria a través de transiciones de las membranas mitocondriales externa e interna y acción de las chaperonas hsp70 de la matriz mitocondrial.

Los fosfolípidos de las membranas mitocondriales provienes de la membrana del retículo endoplasmático.

Además de proteínas, la génesis de nuevas mitocondrias requiere lípidos, que se incorporan mayormente a la bicapa lipídica de sus membranas. Como ocurre con las otras membranas de la célula, los fosfolípidos son provistos por la membrana del retículo endoplasmático, donde se gestan.Para tomarlos del retículo endoplasmático, las mitocondrias recurren a proteínas intercambiadoras, que los sustraen de la membrana de aquél y los descargan en las membranas mitocondriales de la forma que se ilustra en la figura. Además, una vez importados, algunos fosfolípidos de la membrana mitocondrial interna experimentan modificaciones, como la unión de dos de ellos entre sí para dar lugar al difosfatidilglicerol (cardiolipina).

Transferencia de fosfolípidos desde la bicapa lipídica delretículo endoplasmático a la bicapa lipídica de la

membrana mitocondrial externa.

Probablemente las mitocondrias deriven de bacterias aeróbicas.

Vimos que las mitocondrias se reproducen por fisión binaria, como las bacterias. Esta no es la única semejanza con los procariotas. También se parecen en sus formas y medidas, y porque poseen diversas estructuras biomoleculares comunes. Tales semejanzas han llevado a pensar que las mitocondrias son un producto evolutivo de las bacterias. Esta teoría se basa en otros supuestos. Así, se cree que las primeras células eucariotas eran anaeróbicas, y que cuando la atmósfera terrestre se hizo rica en oxigeno incorporaron en su citoplasma ciertas bacterias aeróbicas que, tras sucesivos cambios adaptativos, se convirtieron en las actuales mitocondrias. La simbiosis les permitió a las células eucariotas aprovechar el oxígeno atmosférico, con el cual comenzaron a producir mucha mayor energía a partir de la misma cantidad de alimentos. Paralelamente, la membrana plasmática quedó eximida de realizar procesos energéticos y pudo concentrarse en otras actividades, como controlar la transferencia de solutos, regular la entrada y salida de macromoléculas, recibir y emitir señales, etc.

PEROXISOMAS

Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas.

Son organoides presentes en todos los tipos celulares, de forma ovoide y limitados por una sola membrana.Poseen un diámetro medio de 0.6μm y su número varía entre 70 y 100 por célula, aunque en las células hepáticas y renales suelen ser mucho más numerosas. Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas, y se les dio ese nombre porque intervienen en la formación y descomposición del peróxido de hidrogeno.En conjunto, las enzimas halladas en los peroxisomas son cerca de 40. Según la enzima o el conjunto de enzimas presentes en su interior, existen muchas clases de peroxisomas, y cada tipo celular contiene una determinada clase o una variedad particular de enzimas. Entre las más comunes se encuentran la catalasa, la D-aminoácido oxidasa y la urato oxidasa. Los peroxisomas que contienen urato oxidasa exhiben en su matriz un pequeño cuerpo cristalino integrado por múltiples cristalitos.Con excepción de la catalasa – que degrada al H2O2 en H2O y O2 –, las restantes enzimas oxidan sustratos específicos, por ejemplo, ácido úrico, uratos, oxalacelatos, purinas (adenina, guanina), aminoácidos, ácidos grasos, etc. La oxidación de los ácidos grasos es llevada a cabo por las enzimas acil CoA oxidasa, enoil CoA hidratasa, 3-hidroxiacil CoA oxidasa y β-cetoacil CoA tiolasa.A diferencia de lo que ocurre en las mitocondrias, donde las oxidaciones producen energía química (ATP), en los peroxisomas las oxidaciones suelen generar energía térmica. No obstante, la oxidación de los ácidos grasos da lugar a la formación de energía química, ya que estos ácidos se convierten en moléculas de acetil CoA, las cuales pasan a los mitocondrias e ingresan en el ciclo de Krebs.

En los peroxisomas se genera H2O2, que es neutralizado por la catalasa.

La oxidación de sustratos en los peroxisomas tiene como consecuencia la producción de H2O2, una molécula sumamente tóxica para la célula. En la sección anterior vimos que la enzima encargada de neutralizar al H2O2 es la catalasa; lo hace mediante la siguiente reacción:

2H2O2 -> 2H2O + O2

La catalasa también degrada al H2O2 producido fuera de los peroxisomas.

La catalasa no sólo degrada al H2O2 producido en los peroxisomas sino también al que se genera en otros puntos de la célula, particularmente en las mitocondrias, el retículo endoplasmático y el citosol. En estos sitios las oxidaciones dan lugar a pequeñas cantidades de aniones superóxido (O-

2), comúnmente conocidos con el nombre de radicales libres. Estos radicales son muy reactivos, por lo que una enzima – la superóxido dismutasa – se encarga de eliminarlos mediante la siguiente reacción:

2O-2 + 2H+ -> H2O2 + O2

A su turno, este H2O2 pasa a los peroxisomas, donde es convertido en H2O y O2 por acción de la catalasa.Se sospecha que el anión superóxido produce mutaciones genéticas y alteraciones en la bicapa lipídica de las membranas celulares, lo que podría acelerar el envejecimiento orgánico y facilitar la aparición de cuadros cancerígenos.

La catalasa utiliza al H2O2 para neutralizar sustancias tóxicas.

En las células hepáticas y renales la catalasa actúa también como una enzima destoxificante. Para ello, ante la presencia de ciertos tóxicos, en lugar de convertir al H2O2 en H2O y O2, utiliza al H2O2 para oxidarlos y así neutralizar su toxicidad. Ejemplos de sustancias tóxicas eliminadas por este mecanismo son los fenoles, el formaldehído, el ácido fórmico y el etanol. La reacción puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

H2O2 + TH2 -> 2H2O + T

La sigla TH2 simboliza a la sustancia tóxica, y la T a la misma sustancia luego de su oxidación. Aunque parcialmente, el etanol ingerido con las bebidas alcohólicas se neutraliza mediante este mecanismo, por el cual es oxidado a acetaldehído, exento de toxicidad.

Los peroxisomas se reproducen por fisión binaria.

Los peroxisomas se multiplican mediante por fisión binaria – por lo tanto, a partir de peroxisomas preexistentes –, como lo hacen las mitocondrias. En consecuencia, su masa debe duplicarse previamente. La bicapa lipídica de la membrana del peroxisoma

crece mediante el agregado de fosfolípidos, que son extraídos del retículo endoplasmático liso mediante proteínas intercambiadoras.Por su parte, las proteínas que se incorporan a la membrana o a la matriz del organoide provienen de ribosomas libres en el citosol. Son conducidas selectivamente a los peroxisomas debido a que exhiben – cerca del extremo carboxilo de sus moléculas – un péptido señal específico compuesto por tres aminoácidos, reconocido por un receptor proteico situado en la membrana del organoide. Se cree que los peroxisomas tienen una vida media de 5 a 6 días, al cabo de los cuales son destruidos por medio de autofagosomas.La mutación de un gen que codifica la síntesis de una proteína perteneciente a la membrana de los peroxisomas, involucra aparentemente en la incorporación de las enzimas oxidativas a la matriz, genera un cuadro llamado síndrome de Zellweger, caracterizado por la presencia de peroxisomas “vacíos” en las células de los pacientes, quienes mueren antes del primer año de vida.

Reproducción de los peroxisomas

Función de los peroxisomas

1.- Reacciones de oxidación: los peroxisomas contienen enzimas que reducen oxígeno el agua. Esta reducción se hace en dos etapas. En el primero paso se produce una reacción de oxidación: las oxidasas flavínicas oxidan sustratos formando agua oxigenada: 

Asimismo, los aniones superóxido (O2-) producidos en las reacciones de oxidación de

las mitocondrias, RE y citosol, son eliminadas en los peroxisomas por el enzima superóxido dismutasa, generando H2O2. 

2.- Eliminación del agua oxigenada: el agua oxigenada es una molécula muy tóxica y el enzima catalasa es el encargado de degradarla, bien realizando la peroxidación de un sustrato por el agua oxigenada o bien la peroxidación de agua oxigenada por otra molécula de agua oxigenada formándose en los dos casos agua. 

3.- Catabolismo de purinas: los ácidos nucleicos son degradados sus constituyentes

por nucleasas específicas, primero en nucleótidos y después en bases púricas y pirimidínicas. Estas bases pueden ser utilizadas inicialmente o bien degradadas. Muchos de los enzimas que catalizan la degradación de las purinas se encuentran en los peroxisomas, pero el catabolismo depende mucho de las especies: en primates, algunas aves e insectos a degradación del ácido úrico; en mamíferos no primates, tortugas y moluscos de la alantoína; en algunos pescados del ácido alantoico y anfibios, algunos pescados e invertebrados marinos tienen un catabolismo más completo formando ácido glioxílico y urea. 

4.- β-oxidación de ácidos grasos: un 25% de los ácidos grasos se degradan en los peroxisomas por un proceso de beta oxidación que va a dar lugar a la Acetil CoA. La diferencia con la mitocondria es que la primera reacción de oxidación en el peroxisoma produce agua oxigenada, pues es catalizado por una oxidasa flavínica y no por una deshidrogenasa como en la mitocondria. El Acetil CoA puede reaccionar con la carnitina formando acetil carnitina que pasará a las mitocondrias dónde dará lugar, nuevamente, la acetil CoA que entra en el ciclo de Krebs. 

5.- Ciclo del glioxalato: se produce en tejidos de reserva de semillas de oleaginasas. El acetil CoA generado en la beta oxidación de los ácidos grasos se incorpora al ciclo del glioxalato. Al final del ciclo se produce ácido succínico y ácido glioxílico. El ácido glioxílico vuelve a entrar en el ciclo y el ácido succínico alcanza a matriz mitocondrial para entrar en el ciclo de Krebs. Los peroxisomas que realizan este ciclo se llaman glioxisomas. 

6.- Metabolismo del ácido glicólico: en algunos orgánulos vegetales en los que se produce la fotorrespiración se va a formar en los cloroplastos ácido glicólico que es producido por fijación de oxígeno en la ribulosa- 1,5- difosfato. El ácido glicólico va a pasar a los peroxisomas y oxidado a ácido glioxílico. Este se convierte en glicina que pasa a la mitocondria donde va a formar serina con la liberación de CO2.

FUNCIONES DE LAS MITOCONDRIAS

La función principal de las mitocondrias es generar ATP.La descarboxilación oxidativa se produce en la matriz mitocondrial.También las reacciones del ciclo de Krebs se producen en la matriz mitocondrial.Las oxidaciones de la fosforilación oxidativa tienen lugar en la membrana interna de la mitocondria.La fosforilacion del ADP es mediada por la TP sintetasa.Los H+ y los e- se combinan con el oxígeno para formar agua.Los NADH generados durante la glucólisis no ingresan en las mitocondrias.En presencia de oxígeno, por cada molécula de glucosa se generan 36ATP.En las células musculares el piruvato puede convertirse en lactato.En las mitocondrias de la grasa parda la energía generada por las oxidaciones se disipa en forma de calor.Las mitocondrias poseen otras funciones.

Remoción de Ca2+ del citosol.Síntesis de aminoácidos.Síntesis de esteroides.

REPRODUCCION DE LAS MITOCONDRIAS

Las mitocondrias se reproducen para reemplazar a las que desaparecen y su número se duplica antes de cada división celular.Algunas proteínas mitocondriales son generadas en las propias mitocondrias.El ADN mitocondrial es diferente del ADN nuclear.La síntesis de las proteínas mitocondriales requiere una adecuada coordinación.La incorporación de las proteínas a las membranas y a los compartimientos mitocondriales adecuados es el residuo de un proceso complejo.Los fosfolípidos de las membranas mitocondriales provienes de la membrana del retículo endoplasmático.Probablemente las mitocondrias deriven de bacterias aeróbicas.

PEROXISOMAS

Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas.En los peroxisomas se genera H2O2, que es neutralizado por la catalasa.La catalasa también degrada al H2O2 producido fuera de los peroxisomas.La catalasa utiliza al H2O2 para neutralizar sustancias tóxicas.Los peroxisomas se reproducen por fisión binaria.Función de los peroxisomas.