Mitocondria

As mitocondrias (etimoloxía: do grego μίτος, mítos: fío, e κόνδρος, kóndros: gránulo) son orgánulos citoplasmáticos provistos de dobre membrana que se encontran na maioría das células eucariotas. Só carecen delas algúns eucariotas anaerobios, que no seu lugar teñen hidroxenosomas ou mitosomas, orgánulos á súa vez derivados de mitocondrias. O conxunto de mitocondrias da célula denomínase condrioma. O seu tamaño varía entre 0, 5–10 micrómetros (μm) de lonxitude. As mitocondrias descríbense en ocasións como "xeradoras de enerxía" das células, debido a que producen a maior parte da subministración de adenosín trifosfato (ATP) por fosforilación oxidativa, o cal se utiliza como fonte de enerxía química. Esta expresión ("xeradora de enerxía") é, porén, unha simplificación, xa que as súas funcións son máis amplas. A mitocondria cumpre un papel central no fluxo enerxético da célula debido a que realiza unha función metabólica consistente en transferir ou transformar a enerxía química potencial almacenada nos enlaces covalentes de certas moléculas como a glicosa ou ácidos graxos en enerxía química almacenada nos enlaces covalentes entre fosfatos do ATP (enlaces anhidro). Esta última forma de enerxía química potencial é doadamente utilizable pola célula e foi seleccionada ao longo da evolución filoxenética como o mecanismo por medio do cal todos os procesos celulares que requiren o uso de enerxía dispoñen con facilidade da mesma.
Ademais de proporcionar enerxía á célula, as mitocondrias están implicadas noutros procesos, como a sinalización celular, diferenciación celular, almacenamento de calcio, morte celular programada, e control do ciclo celular e do crecemento celular. A mitocondría está involucrada, directa ou indirectamente, en todos os procesos fisicoquímicos que requiren o uso de enerxía para a súa execución, é dicir, todos aqueles procesos que, desde o punto de vista termodinámico, non se realizan espontaneamente.
Algunhas características fan únicas ás mitocondrias. O seu número varía amplamente segundo o tipo de organismo ou tecido. Algunhas células carecen de mitocondrias ou posúen só unha, entanto que outras poden conter varios miles. Este orgánulo componse de compartimentos que levan a cabo funcións especializadas. Entre estes se encontran a membrana mitocondrial externa, o espazo intermembranoso, a membrana mitocondrial interna, as cristas e a matriz mitocondrial. As proteínas mitocondriais varían dependendo do tecido e das especies: en humanos identificáronse 615 tipos de proteínas distintas en mitocondrias de músculo cardíaco; e en ratas publicáronse 940 proteínas codificadas por distintos xenes. Pénsase que o proteoma mitocondrial está suxeito a regulación dinámica. Aínda que a maior parte do ADN da célula está no núcleo celular, a mitocondria ten o seu propio xenoma, que mostra moitas semellanzas cos xenomas bacterianos.
Existen varias enfermidades de orixe mitocondrial, algunhas das cales producen disfunción cardíaca, e moi probablemente participa no proceso de envellecemento. Historia
A decuberta da mitocondria fíxose grazas ás achegas de varios investigadores, proba disto é o gran número de termos que se refiren a este orgánulo: Blefaroplasto, condrioconto, condriómitos, condrioplastos, condriosomas, condriosferas, fila, gránulos fucsinofílicos, Korner, Fadenkörper, mitoxel, corpos parabasais, vermículas, sarcosomas, corpos intersticiais, plasmosomas, plastocondrios, bioblastos. Cowdry e Lehninger intentaron en 1918 sistematizar e unificar todos os termos.
Probablemente as primeiras observacións débense ao botánico suízo Kolliker, quen en 1880-1888 anotou a presenza duns gránulos en células musculares de insectos aos que denominou sarcosomas. Chegou mesmo á conclusión de que presentaban membrana. En 1882, o alemán Walther Flemming descubriu unha serie de inclusións á que denominou fila. En 1884 tamén foron observados por Richard Altmann, quen máis tarde na súa obra publicada en Leipzig Die Elementarorganismen describe unha serie de corpúsculos que observa por medio dunha tinguidura especial que inclúe fucsina. Especula que se trata dunha suerte de parasitos independentes, co seu propio metabolismo e denomínaos bioblastos. este achado foi rexeitado como un artefacto da preparación, e só máis tarde foi recoñecido como mitocondrias por N. H. Cowdry (1916). Tamén os "plastídulos" do protozoólogo italiano Leopoldo Maggi poderían tratarse de observacións temperás de mitocondrias.
Porén, o nome de "mitocondria", que é o que acadou maior fortuna, débese a Carl Benda, quen en 1889 denominou así a uns gránulos que aparecían moi brillantes en tinguiduras de cristal violeta e alizarina, e que anteriormente foran denominados "citomicrosomas" por Velette St. George. En 1904 F. Meves confirma a súa presenza nunha planta, concretamente en células do tapete da antera de Nymphaea, e en 1913 Otto Heinrich Warburg descobre a asociación con encimas da cadea respiratoria, aínda que xa Kingsbury, en 1912 relacionara estes orgánulos coa respiración celular. En 1934 foron illadas por primeira vez a partir de homoxeneizados de fígado e en 1948 Hogeboon, Schneider e Palade establecen definitivamente a mitocondria como o lugar onde se produce a respiración celular.
A presenza do ADN mitocondrial foi descuberta por Margit M. K. Nass e Sylvan Nass en 1963. Estrutura e composición
A morfoloxía da mitocondria é difícil de describir posto que son estruturas moi plásticas que se deforman, se dividen e fusionan. Represéntanse normalmente en forma alongada. O seu tamaño varía entre 0, 5 e 1 μm de diámetro e ata 7 μm de lonxitude. O seu número depende das necesidades enerxéticas da célula. O conxunto das mitocondrias da célula denomínase condrioma celular.
As mitocondrias están rodeadas de dúas membranas claramente diferentes en funcións e actividades encimáticas, que separan tres espazos: o citosol, o espazo intermembrana e a matriz mitocondrial.
Membrana externa
É unha bicapa lipídica exterior permeable a ións, metabolitos e moitos polipéptidos. Isto débese a que contén proteínas que forman poros, chamadas porinas ou VDAC (de canle aniónica dependente de voltaxe), que permiten o paso de grandes moléculas de ata 10. 000 daltons e un diámetro aproximado de 20 Å. A membrana externa realiza relativamente poucas funcións encimáticas ou de transporte. Contén entre un 60 e un 70% de proteínas.
Membrana interna
A membrana interna contén máis proteínas, carece de poros e é moi selectiva; contén moitos complexos encimáticos e sistemas de transporte transmembrana, que están implicados na translocación de moléculas. Esta membrana forma invaxinacións ou pregamentos chamadas cristas mitocondriais, que aumentan moito a superficie para a colocación de ditos encimas. Na maioría dos eucariontes, as cristas forman tabiques aplanados perpendiculares ao eixe da mitocondria, mais nalgúns protistas teñen forma tubular ou discoidal. Na composición da membrana interna hai unha grande abundancia de proteínas (un 80%), que son ademais exclusivas deste orgánulo, e que son: A cadea de transporte de electróns, composta por catro complexos encimáticos fixos e dous transportadores de electróns móbiles:
Complexo I ou NADH deshidroxenase que contén flavín mononucleótido (FMN).
Complexo II ou succinato deshidroxenase. Os complexos I e II ceden electróns ao coencima Q ou ubiquinona.
Complexo III ou citocromo bc1 que cede electróns ao citocromo c.
Complexo IV ou citocromo c oxidase que cede electróns ao O2 para producir dúas moléculas de auga.
Un complexo encimático, a canle de H+ ATP sintetase que cataliza a síntese de ATP (fosforilación oxidativa).
Proteínas transportadoras que permiten o paso de ións e outras moléculas a través da membrana, como ácidos graxos, ácido pirúvico, ADP, ATP, O2 e auga. Poden destacarse os transportadores mitocondriais seguintes:
Nucleótido de adenina translocase. Encárgase de transportar á matriz mitocondrial o ADP citosólico formado durante as reaccións que consomen enerxía e, paralelamente transloca cara ao citosol o ATP acabado de sintetizar durante a fosforilación oxidativa.
Fosfato translocase. Transloca fosfato citosólico xunto cun protón á matriz; o fosfato é esencial para fosforilar o ADP durante a fosforilación oxidativa.
Cristas
A membrana mitocondrial interna está compartimentalizada en numerosas cristas, que aumentan considerablemente a área superficial da membrana interna, faciitando a colocación dos elementos da cadea de transporte electrónico e da ATP sintetase e a produción de ATP. Grazas ás cristas nunha determinada zona dunha mitocondria típica a área da membrana interna é cinco veces maior cá da externa. Esta razón é, porén, variable e as mitocondrias que teñen unha demanda grande de ATP, como as células musculares, conteñen máis cristas. Estes pregamentos están inzados de pequenas protuberancias redondeadas, chamadas partículas F1 ou oxisomas. Non se trata de pregamentos ao chou senón de profundas invaxinacións, que poden afectar a función quimiosmótica global.
Espazo intermembranas
Entre ambas as membranas queda delimitado un espazo intermembranoso que está composto por un líquido similar ao citosol; ten unha alta concentración de protóns como resultado do bombeo dos mesmos polos complexos encimáticos da cadea respiratoria. Nel localízanse diversos encimas que interveñen na transferencia do enlace de alta enerxía do ATP, como a adenilato quinase ou a creatina quinase. Tamén se localiza a carnitina, unha molécula implicada no transporte de ácidos graxos desde o citosol á matriz mitocondrial, onde serán oxidados (beta-oxidación).
Matriz mitocondrial
A matriz mitocondrial ou mitosol enche o espazo interno da mitocondria, contén menos moléculas que o citosol, aínda que contén ións, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario moi parecido ao das bacterias, ribosomas tipo 55 S (70 S en vexetais), chamados mitorribosomas, que realizan a síntese dalgunhas proteínas mitocondriais, e contén ARN mitocondrial; é dicir, teñen os orgánulos que tería unha célula procariota de vida libre. Na matriz mitocondrial teñen lugar diversas rutas metabólicas chave para a vida, como o ciclo de Krebs e a beta-oxidación dos ácidos graxos; tamén se oxidan os aminoácidos e localízanse aquí algunhas reaccións da síntese de urea e grupos hemo. Funcións
A principal función das mitocondrias é producir ATP, é dicir, fosforilar o ADP, por medio da respiración celular, e regular o metabolismo celular. O conxunto principal de reaccións implicadas na respiración celular é o ciclo de Krebs, ou ciclo do acido cítrico. Pero a mitocondria ten outras moitas funcións ademais da produción de enerxía.
Conversión de enerxía
O principal traballo que fai a mitocondria é producir ATP, como se pon en evidencia pola gran cantidade de proteínas da membrana interna dedicadas a ese mester. A célula fai isto oxidando produtos de orixe citosólica como glicosa, piruvato ou NADH en varios pasos, nos que as fases finais son mitocondriais. Este proceso é a respiración celular, ou respiración aeróbica, que depende da presenza de osíxeno. Cando se limita a cantidade de osíxeno, os produtos glicolíticos deben ser metabolizados anaerobicamente no citosol e non intervén a mitocondria, e obtense deles moita menos enerxía. Demostrouse recentemente que as mitocondris das plantas poden producir unha pequena cantidade de ATP en ausencia de osíxeno usando no seu lugar nitrito como aceptor final de electróns.
Piruvato e ciclo de Krebs
No citosol unha molécula de glicosa orixina dúas de piruvato nun proceso chamado glicólise. O piruvato é levado por transporte activo ao interior da mitocondria, e na matriz é oxidado, perdendo o seu grupo carboxilo (desprendido como CO2) e formando cos dous carbonos restantes acetil-CoA, xunto con NADH.
O acetil-CoA entra nun ciclo de reaccións encimáticas coñecido como ciclo de Krebs ou do ácido cítrico, que empeza coa condensación do grupo acetil co oxalacetato para formar malato. No ciclo rexenérase o oxalacetato, prodúcese CO2, GTP e os coencimas reducidos NADH e FADH2. Os encimas do ciclo están na matriz agás a succinato deshidroxenase, que está unida á membrana interna como parte do complexo II. Os coencimas reducidos tomaron electróns das moléculas do ciclo (en último extremo proceden da glicosa inicial) e cédenos aos transportadores de electróns da membrana mitocondrial interna.
A cadea de transporte electrónico e a fosforilación oxidativa
A enerxía redox dos coencimas NADH e FADH2 producidos no ciclo de Krebs (ou a dos producidos no citosol) transfírese ao osíxeno (O2) por medio da cadea de transportadores de electróns. Estes transportadores, á vez que se ceden os electróns bombean protóns cara ao espazo intermembrana, creando nel un gradiente quimiosmótico. Este proceso é eficiente, pero unha pequena porcentaxe dos electróns pode reducir prematuramente o osíxeno, formando radicais como o superóxido. Isto pode causar un estrés oxidativo na mitocondria e pode contribuír ao declive da función mitocondrial asociada co proceso de envellecemento.
A medida que crece o gradiente quimiosmótico no espazo intermembrana creado polo bombeo de protóns, estes poden tornar á matriz a través do complexo encimático da ATP sintetase, e o seu potencial enerxético é utilizado para a síntese no encima de ATP a partr de ADP e fosfato inorgánico (Pi). Este proceso e o funcionamento da ATP sintetase foi estudado polos premios Nobel Peter D. Mitchell, Paul D. Boyer e John E. Walker.
Produción de calor
En certas condicións, os protóns poden reentrar nas mitocondrias sen contribuír á síntese de ATP. Esta fuga de protóns ou desaxuste mitocondrial débese á difusión facilitada de protóns na matriz das mitocondrias de certos tecidos especializados. O proceso ten como resultado que a enerxía potencial do gradiente de protóns se libera como calor. O proceso está mediado por unha canle de protóns especial chamada termoxenina, ou UCP1. A termoxenina é unha proteína de 33kDa descuberta en 1973, que está presente fundamentalmente nas mitocondrias do tecido adiposo marrón, ou graxa marrón, polo que este tecido está especializado na produción de calor. Este tecido atópase sobre todo nos animais acabados de nacer (decrece coa idade), incluíndo humanos, e nos animais hibernantes.
Almacenamento de ións calcio
As concentracións de calcio libre na célula poden regular todo un conxunto de reaccións, polo que son importantes par a transdución de sinais na célula. As mitocondrias poden almacenar calcio transitoriamente, contribuíndo á homeostase do calcio na célula. De feito, a súa capacidade para captar calcio rapidamente para despois cedelo fai das mitocondrias uns "tampóns citosólicos" para o calcio moi bos. O retículo endoplasmático é o lugar principal de almacenamento de calcio, e hai unha significativa interacción entre ese orgánulo e a mitocondria con respecto ao calcio. O calcio é introducido na matriz mitocondrial por un transportador da membrana mitocondrial interna. Está impulsado principalmente polo potencial de membrana mitocondrial. A liberación do calcio ao interior da célula pode suceder por medio dunha proteína de intercambio de sodio-calcio ou polas vías de "liberación de calcio inducidas por calcio". Isto pode orixinar picos de calcio ou ondas de calcio con grandes cambios no potencial de membrana. Isto pode activar unha serie de moléculas que funcionan como segundos mensaxeiros, que poden coordinar procesos como a liberación de vesículas sinápticas en células nerviosas ou de hormonas en células endócrinas.
Funcións adicionais
A mitocondria xoga un papel central en moitas outras tarefas metabólicas, tales como: Regulación do potencial de membrana
Apoptose ou morte celular programada
Sinalización por calcio (incluíndo a apoptose provocada polo calcio)
Regulación da proliferación celular.
Regulación do metabolismo celular.
Certas reaccións de síntese do hemo. (ver porfirina)
Síntese de esteroides.
Algunhas funcións mitocondriasis só teñen lugar en determinado tipo de células. Por exemplo, as mitocondrias do fígado conteñen encimas que permiten a detoxificación do amoníaco, un produto de refugallo do metabolismo proteico. Unha mutación nos xenes que regulan calquera destes procesos pode orixinar enfermidades mitocondriais. Xenoma mitocondrial
O xenoma mitocondrial humano é unha molécula circular bicatenaria de ADN duns 16 kilobases, que codifica 37 xenes: 13 para as subunidades proteicas dos complexos respiratorios I, III, IV e V, 22 para o ARNt mitocondrial (para os 20 aminoácidos estándar, e ademais dous xenes extra para a leucina e serina), e 2 para o ARNr. Unha mitocondria pode conter de dúas a cen copias do seu ADN.
O ADN mitocondrial humano ten unha proporción alta de ADN codificante e ausencia de repeticións e de intróns (pero noutros eucariotas si hai intróns non codificantes) e transcribe ARNm policistrónicos (multixénicos). Non obstante, a maioría das proteínas necesarias para a función mitocondrial están codificadas no ADN do núcleo celular. Nas mitocondrias atopáronse pequenas variacións ao código xenético estándar nun ou dous codóns, ue varían entre especies. Os xenomas mitocondriais teñen menos xenes cós bacterianos dos que descenden, xa que durante o seu proceso de endosimbiose perderon algúns, e moitos outros foron transferidos ao núcleo celular, como as subunidades proteicas do complexo respiratorio II. Uns poucos organismos mesmo perderon ou transferiron todos os seus xenes e non teñen ADN nas súas mitocondrias, como os Cryptosporidium. Replicación e herdanza
As mitocondrias poden dividirse por fisión binaria similar á división da célula bacteriana; pero a diferenza das bacterias, as mitocondrias poden fusionarse con outras mitocondrias. Poden dividirse en sincronía co ciclo celular, para que as células fillas leven suficientes copias das mitocondrias, ou dependendo das necesidades enerxéticas da células, o que varía coa especie.
En xeral o xenoma mitocondrial é de herdanza materna, xa que o esperma non adoita achegar ADN durante a fertilización ou este non e conserva. Son excepcións algunhas coníferas (pero non os piñeiros), nas que o ADN mitocondrial é de herdanza paterna. Como o ADN mitocondrial é de herdanza uniparental non se recombina, e as múltiples copias do ADN mitocondrial dunha célula tampouco ou raramente se recombinan, a secuencia completa do ADN mitocondrial pode considerarse un único haplotipo, o cal o fai moi útil para o estudo da historia evolutiva das poboacións, como se fixo nos estudos que conduciron a formular a hipótese da Eva mitocondrial. Membranas do retículo endoplasmático asociadas ás mitocondrias
As membranas do retículo endoplasmático asociadas ás mitocondrias (MAM) son outros elementos aos que cada vez se lles recoñece un papel máis importante no funcionamento mitocondrial. Estas membranas separábanse xunto coas mitocondrias nas técnicas de fraccionamento celular, e ao primeiro eran consideradas vesículas do retículo endoplasmático que contaminaban a fracción illada, pero pouco a pouco foise vendo que eran estruturas membranosas do MAM, é dicir, da interface entre as mitocondrias e o retículo endoplasmático. Existe unha unión física entre a membrana mitocondrial e as membranas do retículo endoplasmático que as rodea (o MAM) demostrada en micrografías e microscopía de fluorescencia. . Estímase que o MAM pode abranguer ata o 20% da membrana mitocondrial externa, e que as membranas do retículo endoplasmático e da mitocondria están separadas só por 10-25 nm e mantéñense firmemente unidas por uns complexos proteicos de fixación.
Ao purificar o MAM dos fraccionamentos celulares vese que esas membranas están enriquecidas en encimas implicados no intercambio de fosfolípidos, ademais de en canles asociadas coa sinalización por Ca2+. Isto suxire que o MAM desempeña un papel prominente na regulación do almacenamento de lípidos e na transdución de sinais. O MAM non só nos dá unha idea do funcionamento dos mecanismos básicos da apoptose e a propagción da sinalización por calcio, senón tamén nos dá unha visión de conxunto máis refinada do papel da mitocondria. Ao primeiro as mitocondrias eran vistas como "centrais enerxéticas" illadas e en gran medida separadas do resto do metabolismo celular xeradas a través dun antigo evento endosimbiótico, pero hoxe o coñecemento da evolución do MAM pon de relevo o alto grao de integración ao que chegou a mitocondria na fisioloxía da célula, coa súa íntima unión física e funcional co sistema endomembranoso celular. Orixe
A científica estadounidense Lynn Margulis, xunto con outros, recuperou en 1980 unha antiga hipótese, reformulándoa como teoría endosimbiótica. Segundo esta versión actualizada, hai uns 1. 500 millóns de anos, unha célula procariota que podía obter enerxía dos nutrientes orgánicos empregando o osíxeno molecular como oxidante, fusionouse nun momento da evolución con outra célula procariota ou eucariota primitiva ao ser fagocitada sen ser inmediatamente dixerida, un fenómeno frecuentemente observado. Desta maneira produciuse unha simbiose permanente entre ambos os tipos de seres: a procariota fagocitada formnecía enerxía, especialmente en forma de ATP e a célula hospedadora ofrecía un medio estable e rico en nutrientes á outra. Este mutuo beneficio fixo que a célula invasora chegara a formar parte do organismo maior, acabando por converterse en parte dela: a mitocondria. Outro factor que apoia esta teoría é que as bacterias e as mitocondrias teñen moito en común, en características tales como o tamaño, a estrutura, compoñentes da súa membrana e a forma en que producen enerxía etc.
Esta hipótese ten entre os seus fundamentos a evidencia de que as mitocondrias posúen o seu propio ADN e está recuberta pola súa propia membrana. Outra evidencia que sostén esta hipótese é que o código xenético do ADN mitocondrial non adoita ser o mesmo que o código xenético do ADN nuclear (ben que as diferenzas son poucas). Ao longo da historia común a maior parte dos xenes mitocondriais foron transferidos ao núcleo, de tal xeito que a mitocondria non é xa viable fóra da célula hóspeds e esta non acostuma selo sen mitocondrias. Enfermidades mitocondriais
O ADN mitocondrial humano contén información xenética para 13 proteínas mitocondriais e algúns ARN; non obstante, a maioría das proteínas das mitocondrias proceden de xenes localizados no ADN do núcleo celular e son sintetizadas por ribosomas libres do citosol e logo importadas polo orgánulo. Describíronse máis de 150 doenzas mitocondriais, como a enfermidade de Luft ou a neuropatía óptica hereditaria de Leber. Tanto as mutacións do ADN mitocondrial, como do ADN nuclear dan lugar a enfermidades xenéticas mitocondriais, que orixinan un mal funcionamento de procesos que se desenvolven nas mitocondrias, como alteracións de encimas, ARN, compoñentes da cadea de transporte de electróns e sistemas de transporte da membrana interna; moitas delas afectan ao músculo esquelético e ao sistema nervioso central.
O ADN mitocondrial pode danarse cos radicais libres formados na mitocondria; así, enfermidades dexenerativas relacionadas co envellecemento, como a enfermidade de Parkinson, a enfermidade de Alzheimer e as cardiopatías poden ter relacións con defectos mitocondriais.