Procesos Energéticos y Sintéticos de la Célula,Mitocondria y Respiración Celular

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/

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/

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