La mitocondria
Es un organelo celular cuya función primordial es la de obtener energía
tras el proceso oxidativo que ocurre sobre distintos metabolitos (fosforilación
oxidativa). Estructuralmente posee dos membranas: una externa y otra interna.
La membrana externa esta conformada por una bicapa lipídica y está en contacto con
el citoplasma constituyendo un saco cerrado; la membrana interna se caracteriza
por invaginaciones denominadas crestas, mismas que penetran en la matriz
mitocondrial y cuenta con un espacio intermembranas o espacio intercrestal el
cual contiene un líquido denominado hialoplasma. En esta membrana interna se
encuentran mecanismos de la cadena transportadora de electrones y de la
ATP-sintasa, que permiten la transformación de la energía de oxidación en ATP.
Por último, la matriz mitocondrial contiene DNA mitocondrial, mitoribosomas y
RNA mitocondrial. En su interior se
llevan a cabo reacciones de vital importancia como el ciclo de Krebs y
beta-oxidación de ácidos grasos.
Función mitocondrial
Dentro de las funciones que realiza la mitocondria la más importante es
la cadena respiratoria; dicha cadena esta compuesta de cinco complejos que se
describirán brevemente y cuyo conocimiento es indispensable para el entendimiento
de las consecuencias de sus alteraciones.
Complejo I: también conocido como
NADH deshidrogenasa (ubiquinonaoxidoreductasa) es un nucleótido con electrones
de alta energía proveniente del ciclo del ácido cítrico. El complejo I transfiere
electrones del NADH a la ubiquinona o coenzima Q (CoQ) y luego al succinato, siguiente
paso en la cadena de transporte. Al pasar de un transportador al siguiente, los
electrones liberan energía que es utilizada por el complejo para bombear
protones (H+) de la matriz al espacio intermembrana. Esto genera un gradiente
transmembrana que termina activando a la enzima ATPsintetasa o ATPasa.
Complejo II:succinato-ubiquinonareductasa
o succinato deshidrogenasa; en este complejo se transfiere electrones del
succinato a la CoQ. En esta etapa no se produce traslocación de protones a
través de la membrana; por lo tanto, el complejo II es un simple transportador
entre los
complejos I y III.
Complejo III: citocromo bc1, en
este complejo se transporta electrones de la CoQ al citocromo C. En esta etapa hay
traslocación de protones.
Complejo IV: constituido por la
enzima citocromo C oxidasa que utiliza al citocromo C (Cit C) como sustrato.
Laenzima toma cuatro electrones del citocromo c y los transfiere a dos
moléculas de oxígeno formando agua. Esta es la única circunstancia en que el
oxígeno (que por su estructura atómica sólo puede tomar uno o a lo sumo dos electrones
a la vez), adquiere en forma simultánea cuatro electrones. En esta etapa hay
translocación de protones.
Complejo V: Constituido por la
enzima ATPasa (ATP sintasas) que funciona en forma reversible. La enzima
aprovecha la energía generada por la translocación de protones en los complejos
I, III y IV para sintetizar ATP que es el objetivo final de todo este mecanismo.
Actuando en forma reversible, la ATPasa puede a su vez, hidrolizar el ATP para bombear,
contra gradiente, protones desde el espacio intermembranal hacia la membrana, o
sea el mecanismo inverso que se verificaba en los complejos I, III, y lV.
Mitocondria y envejecimiento normal
Se conoce que la pérdida
progresiva de la función mitocondrial es una característica común del
envejecimiento tisular, estas funciones incluyen producción de energía, biosíntesis
de esteroides, ensamble de grupos heme, biosíntesis de pirimidina y apoptosis
entre otras. El papel de las mutaciones del mtDNA en el envejecimiento se apoya
en el hecho de que conforme se envejece el genoma mitocondrial se acumulan
mutaciones puntuales y lesiones, entre otras32. La teoría mas aceptada se
relaciona a la producción de ROS y otros productos intermedios del metabolismo
oxidativo que de forma crónica ocasiona los
cambios genómicos descritos. En
la estructura mitocondrial se han descrito
cambios asociados a la edad como vacuolización, agrandamiento,
inclusiones intramitocondriales, acumulación de glucógeno, pérdida de la
matriz. Uno de los hallazgos mas
importantes es la disminución de
los niveles de cardiolipina, la cual sirve como anclaje de proteínas de la
membrana interna mitocondrial implicada en la permeabilidad y control de
gradientes de la misma.
Mitocondria y enfermedades neurodegenerativas
En algunas enfermedades
neurodegenerativas se han observado alteraciones mitocondriales; como era de
esperarse por lo expuesto anteriormente la neurodegeneración puede ser
secundaria a mutaciones del mtDNA aunque también se han descrito mutaciones en
genes nucleares que repercuten en la fosforilación oxidativa o bien en otras
proteínas mitocondriales y finalmente mutaciones en proteínas no
mitocondriales. Los posibles mecanismos de daño mitocondrial se resumen en la
figura 1 y las principales enfermedades neurodegenerativas, tipo de mutación y alteración
mitocondrial se resumen en la tabla 1. A
continuación se describen aquellas de mayor frecuencia e impacto.
Respiración Celular
La energía
lumínica es capturada por las plantas verdes y otros organismos fotosintéticos,
que la transforman en energía química fijada en moléculas como la glucosa. Estas
moléculas son luego degradadas dentro de las células, liberando energía química
y calor al sistema metabólico. Los procesos metabólicos mediante los cuales los
organismos convierten la energía de las moléculas orgánicas en energía
utilizable en forma de ATP, son procesos de degradación que integran la vía de
la respiración celular.
Respiración Celular y Respiración Externa
La respiración
externa, consiste en un intercambio gaseoso entre el organismo y su medio ambiente;
se incorpora oxígeno, que es transportado a las células, y se elimina el
dióxido de carbono liberado por ellas. La respiración celular, es una sucesión
de reacciones químicas intracelulares, destinadas a degradar moléculas
orgánicas, que producen energía e implican,, en general, el consumo deoxígeno. La
respiración celular es un proceso redox, en el que la glucosa se oxida a CO2 y
el O2 se reduce a agua.
El tamaño, la
estructura, la organización interna y ciertos componentes mitocondriales (una
molécula de ADN circular desnudo, ribosomas de 70 S y los pliegues de membrana)
proporcionan suficiente evidencia como para suponer que las mitocondrias
evolucionaron a partir de procariontes de vida libre, capaces de degradar
materia orgánica. Éstos habrían sido incorporados por células eucariontes, con
la que establecieron una relación simbiótica. Esta hipótesis está sustentada,
también, por el hecho de que las mitocondrias poseen información para sintetizar
la mayoría de sus proteínas, y son capaces de duplicarse en forma similar a la
de las bacterias, independientemente de la célula que las contiene. Asimismo,
se supone que los cloroplastos han tenido un mecanismo semejante de evolución,
a partir de procariontes fotosintéticos primitivos.
Esquema de la
ultra estructura mitocondrial. Se observa la membrana externa, la interna
plegada encrestas y el espacio delimitado por la membrana interna conteniendo
la matriz.
tomado de http://www.mas-que-ciencia.com/mitocondrias-y-cloroplastos/
tomado de http://www.mas-que-ciencia.com/mitocondrias-y-cloroplastos/
Las células que
se encuentran en un ambiente rico en oxígeno se valen de la respiración
aeróbica, que requiere de la presencia de oxígeno molecular. Durante este tipo
de respiración, los nutrientes se degradan hasta convertirse en dióxido de
carbono y agua. Las células no pueden realizar esta transformación mediante una
sola reacción química, ya que ninguna enzima cataliza el ataque directo de las
moléculas de oxigeno sobre las de nutrientes. En los ambientes en los que el oxígeno
es escaso (suelos, aguas contaminadas, etc.), se utilizan mecanismos que no
requieren de este gas, pero resultan menos eficientes.
En la obtención
de energía. Algunas bacterias usan el mecanismo de respiración anaeróbica, que representa
una clara ventaja en ambientes cuya concentración de oxigeno es escasa, como
suelos y estanques. La respiración aeróbica se realiza en etapas: glucólisis
(en el citosol), Ciclo de Krebs (en la matriz mitocondrial) y Cadena
Respiratoria (en la membrana interna de la mitocondria). Acoplada a esta última
ocurre la Fosforilación Oxidativa, que es la formación de ATP en presencia de
oxígeno.
La glucólisis o
"ruptura de la glucosa" es un proceso universal, es decir ocurre en
todos los tipos celulares. Esto hace suponer que es muy antiguo en la evolución,
ya que se lleva a cabo en el citoplasma todas las células : procariontes,
eucariontes, autótrofas o heterótrofas. Consiste, básicamente, en la partición
de una molécula de glucosa -un compuesto de seis carbonos- en dos moléculas de
ácido pirúvico -un compuesto de tres carbonos-. Esta ruptura o degradación de
la glucosa implica la liberación de energía química contenida en los enlaces de
la molécula. Partiendo de una molécula de glucosa, el balance final de la
glucólisis es la ganancia neta de dos moléculas de ATP y la formación de dos
moléculas de NADH, nucleótido reducido que resulta de la ganancia de dos hidrógenos
(reducción) por parte del nucleótido NAD+. Dichos hidrógenos provienen de la
ruptura de la glucosa que los libera (oxidación).
Luego, cada pirúvico
pierde un CO2 y pasa a ser ácido acético. Entonces, se genera NADH por la oxidación
del acético, y se le une una molécula orgánica: la coenzima A. Se forma así la
Acetil-CoA, que entrará al Ciclo de Krebs.
La Acetil-CoA se
une al oxalacético presente en la matriz mitocondrial, y forman el ácido
cítrico. Éste pierde un CO2 y un H+ que va al NAD+, conviertiéndose en
alfa-cetoglutárico. Éste pierde otro CO2 y otro H+ y da energía para formar un
GTP, convirtiéndose en succínico. Éste pierde dos H+ y forma el málico, que
vuelve a perder H+ y regenera el oxalacético, que reinicia el Ciclo.
Ciclo de Krebs
tomado de http://fondos101.com/category/Krebs/
Cadena de transporte de electrones y Fosforilación
Oxidativa
Los electrones
cedidos por el NADH+H+ son transportados a través del complejo de proteínas de
lamembrana interna mitocondrial. Los H+ salen al espacio inter membrana y son
luego bombeados por la ATP-sintetasa, proporcionando la energía para formar
ATP. Los H+ son atraídos por el O2al final de la cadena, formando H2O.
En
resumen, los pasos de la respiración celular aeróbica pueden esquematizarse del
siguiente modo:
Las reacciones generales de la formación de la
glucosa en la fotosíntesis, a partir de CO2 y H2O, y lasreacciones de la
degradación completa de la glucosa a C02 y H2O, en la glucólisis y respiración
aeróbica, integran procesos que, en la naturaleza, son complementarios. Es
importante destacar que, el 02 liberado a la atmósfera como subproducto de la
fotosíntesis, es utilizado por todos los seres vivos aeróbicos para el proceso
de respiración y, el C02 liberado por ésta a la atmósfera, tanto por autótrofos
como por heterótrofos, es el utilizado por los productores para fotosintetizar.
Imagen adquirida de http://happybiologia.blogspot.com/
Imagen adquirida de http://happybiologia.blogspot.com/
Podemos
clasificar organismos basándonos en la forma en que obtienen energía.
Autótrofos: son capaces de producir sus propias
moléculas orgánicas mediante fotosíntesis.
Heterótrofos: obtienen sus moléculas orgánicas de las
producidas por otros organismos.
Todos los
organismos utilizan la respiración celular para extraer energía de las
moléculas orgánicas.
Respiración
celular: una serie de reacciones bioquímicas:
-oxidaciones –perdida de electrones
-dehidrogenaciones –realmente se pierde un átomo de H
{1 electrón, 1 protón}.
-Durante Rx redox los e-cargan energía de una
molecula a otra.
NAD+es un portador de electrones.
-NAD acepta 2 electrones y 1 protón se convierte en
NADH (esta es reversible)
Durante respiración celular los electrones son
movidos a través de varios portadores hasta llegar a un aceptador final.
•Respiración aeróbica: el aceptador
final de electrones es oxigeno (O2).
•Respiración anaeróbica: el aceptador
final de electrones es una molecula inorgánica (no O2)
•Fermentación: el aceptador final de electrones
es una molecula orgánica
Producción Total de Energía:
•38 ATP total en
presencia de oxigeno
•2 ATP total de
la fermentación
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