Mitocondrias

¿Qué son las mitocondrias?

Las mitocondrias son orgánulos intracelulares característicos de todas las células eucariotas. Tienen a su cargo parte importante del metabolismo energético celular y son el principal sitio de producción de ATP en las células con metabolismo aeróbico.

Vistas al microscopio, tienen un tamaño similar al de una bacteria y comparten con los procariotas muchas de sus características genéticas, como la presencia de un genoma circular, de ribosomas bacterianos y de ARN de transferencia similares a los de los demás procariotas.

La teoría endosimbiótica propone que estos orgánulos surgieron en los progenitores eucariotas hace millones de años a partir de células procariotas que “parasitaban” a los eucariotas primitivos, otorgándoles la capacidad de vivir en aerobiosis y de utilizar el oxígeno para obtener energía, recibiendo a cambio refugio y nutrientes.

Puesto que su genoma debió haberse reducido, la formación de estos orgánulos se hizo dependiente, en gran medida, de la importación de proteínas sintetizadas en el citosol a partir de genes codificados en el núcleo, también de fosfolípidos y de otros metabolitos, para lo cual se adaptaron complejas maquinarias de transporte.

Hoy en día se sabe que las mitocondrias funcionan como las “fuentes de poder” de todas las células eucariotas aeróbicas y que en ellas ocurre el ciclo de Krebs, la síntesis de pirimidinas, aminoácidos y algunos fosfolípidos. En su interior también ocurre la oxidación de ácidos grasos, de donde se obtienen grandes cantidades de ATP.

Al igual que en todos los organismos celulares, el ADN mitocondrial es propenso a mutaciones, lo que se traduce en disfunciones mitocondriales que terminan con desórdenes neurodegenerativos, cardiomiopatías, síndromes metabólicos, cáncer, sordera, ceguera y otras patologías.

Características de las mitocondrias

– Generadoras de energía. Son conocidas como las “centrales energéticas” de la célula, ya que producen ATP (adenosín trifosfato), la principal fuente de energía celular, mediante la fosforilación oxidativa en la cadena de transporte de electrones.

– Doble membrana. Están compuestas por una membrana externa y una membrana interna: la externa es permeable a moléculas pequeñas. La membrana interna tiene pliegues llamados crestas, que aumentan la superficie para las reacciones químicas.

– ADN mitocondrial (ADNmt). Poseen su propio ADN circular, independiente del núcleo celular. Este ADN codifica genes necesarios para la síntesis de algunas proteínas esenciales para las mitocondrias. Su herencia es materna en la mayoría de los organismos.

– Teoría endosimbiótica. Se cree que las mitocondrias tienen un origen bacteriano, según la teoría endosimbiótica, que plantea que las mitocondrias fueron antiguas bacterias que se integraron en células eucariotas primitivas.

– Producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Durante la generación de energía, las mitocondrias producen especies reactivas de oxígeno, que pueden causar daño celular si no se regulan adecuadamente. Estas ROS están implicadas en procesos como el envejecimiento y algunas enfermedades.

Funciones de las mitocondrias

• Producción de energía. La función principal de las mitocondrias es generar ATP (adenosín trifosfato), la principal fuente de energía celular, mediante el proceso de fosforilación oxidativa en la cadena de transporte de electrones.
• Metabolismo de nutrientes. Participan en el metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas, transformando estos macronutrientes en energía utilizable para la célula. Por ejemplo: oxidan ácidos grasos en el proceso de beta-oxidación. Metabolizan piruvato derivado de la glucólisis en el ciclo de Krebs.
• Regulación de la apoptosis. Liberan moléculas como el citocromo c en respuesta a señales internas o externas que activan la muerte celular programada (apoptosis). Este proceso es esencial para el desarrollo, la homeostasis y la eliminación de células dañadas o defectuosas.
• Almacenamiento de calcio. Actúan como reservorios intracelulares de iones de calcio (Ca²⁺), regulando su liberación y almacenamiento. Esto es importante para procesos como la señalización celular, la contracción muscular y la secreción de hormonas.
• Producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Generan pequeñas cantidades de ROS como subproductos de la respiración celular. Aunque las ROS pueden ser dañinas en exceso, también funcionan como señales para procesos celulares como la respuesta al estrés.
• Síntesis de ciertas biomoléculas. Contribuyen a la síntesis de grupos hemo (importantes en proteínas como la hemoglobina) y de ciertos fosfolípidos, como la cardiolipina, indispensable para la funcionalidad de la membrana mitocondrial interna.
• Regulación de la homeostasis energética. Las mitocondrias monitorean y regulan la disponibilidad de ATP, ajustando su actividad metabólica según las necesidades de la célula.
• Participación en la inmunidad. Pueden influir en la respuesta inmune al liberar señales que activan la inflamación o al responder a infecciones celulares.
• Producción de calor. En células especializadas, como las del tejido adiposo marrón, las mitocondrias generan calor en lugar de ATP mediante la termogénesis, un proceso importante para mantener la temperatura corporal.

Partes de las mitocondrias (estructura)

Estos orgánulos son únicos entre los demás orgánulos citosólicos por varias razones, lo que puede entenderse del conocimiento de sus partes.

• Membranas mitocondriales. Las mitocondrias, como ya se comentó, son orgánulos citosólicos rodeados por una doble membrana. Esta membrana se divide en la membrana mitocondrial externa y en la membrana mitocondrial interna, muy diferentes una de la otra y separadas entre sí por el espacio intermembrana.
  • Membrana mitocondrial externa. Sirve de interfase entre el citosol y el lumen mitocondrial. Al igual que todas las membranas biológicas, la membrana mitocondrial externa es una bicapa lipídica a la que se asocian proteínas periféricas e integrales. Muchos autores concuerdan con que la relación entre proteínas y lípidos en esta membrana es cercana al 50:50 y que es muy parecida a la de las bacterias gramnegativas. Las proteínas de la membrana externa funcionan en el transporte de distintos tipos de moléculas hacia el espacio intermembrana, muchas de estas proteínas se conocen como “porinas”, puesto que forman canales o poros que permiten el paso libre de moléculas pequeñas de un lado hacia el otro.

• • Membrana mitocondrial interna. Contiene un número muy grande de proteínas (casi 80%), mucho mayor que el de la membrana externa y uno de los porcentajes más altos en toda la célula (la mayor relación proteína:lípido). Es una membrana menos permeable al paso de moléculas y forma múltiples pliegues o crestas que se proyectan hacia el lumen o la matriz mitocondrial, aunque el número y la disposición de estos pliegues varía considerablemente de un tipo de célula a otro, incluso en el mismo organismo. La membrana mitocondrial interna es el principal compartimento funcional de estos orgánulos y ello se debe, en esencia, a sus proteínas asociadas. Sus pliegues o crestas cumplen una función especial en el incremento de la superficie membranal, lo que contribuye razonablemente en el aumento del número de proteínas y enzimas que participan en las funciones mitocondriales, es decir, en la fosforilación oxidativa, principalmente (cadena transportadora de electrones).
  • Espacio intermembrana. Como puede inferirse de su nombre, el espacio intermembrana separa las membranas mitocondrial externa e interna. Puesto que la membrana mitocondrial externa posee muchos poros y canales que facilitan la difusión libre de moléculas de un lado hacia el otro de la misma, el espacio intermembrana tiene una composición bastante similar a la del citosol, al menos respecto a los iones y a ciertas moléculas de pequeño tamaño.
• Lumen o matriz mitocondrial. La matriz mitocondrial es el espacio interno de las mitocondrias y el lugar donde se encuentra el ADN genómico mitocondrial. Además, en este “líquido” también están algunas de las importantes enzimas que participan en el metabolismo energético celular (la cantidad de proteínas es mayor al 50%). En la matriz mitocondrial se encuentran, por ejemplo, las enzimas pertenecientes al ciclo de Krebs o el ciclo de ácidos tricarboxílicos, una de las rutas principales del metabolismo oxidativo en los organismos o las células aeróbicas.
• Genoma mitocondrial (ADN). Las mitocondrias son orgánulos citosólicos únicos en las células, puesto que poseen un genoma propio, es decir, tienen su propio sistema genético, distinto al de la célula (encerrado en el núcleo). El genoma de las mitocondrias consiste en moléculas circulares de ADN (como el de los procariotas), de las cuales pueden existir varias copias por mitocondria. El tamaño de cada genoma depende bastante de la especie que se considere, pero en los humanos, por ejemplo, es de más o menos unas 16 kb. En estas moléculas de ADN se encuentran los genes que codifican para algunas proteínas mitocondriales. También están los genes que codifican para los ARN ribosomales y los ARN de transferencia, necesarios para la traducción de las proteínas codificadas por el genoma mitocondrial en el interior de dichos orgánulos. El código genético empleado por las mitocondrias para “leer” y “traducir” las proteínas que están codificadas en su genoma es un tanto distinto al código genético universal.

Enfermedades relacionadas con las mitocondrias

Las enfermedades mitocondriales humanas son un grupo bastante heterogéneo, puesto que tienen que ver con mutaciones tanto en el ADN mitocondrial como en el nuclear.

Dependiendo del tipo de mutación o defecto genético, existen diferentes manifestaciones patológicas relacionadas con las mitocondrias, las cuales pueden afectar cualquier sistema de órganos en el cuerpo y a personas de cualquier edad.

Estos defectos mitocondriales pueden ser transmitidos de una generación a otra por la vía materna, por el cromosoma X o por vía autosómica. Por esta razón, los desórdenes mitocondriales son verdaderamente heterogéneos tanto en el aspecto clínico como en las manifestaciones tejido-específicas.

Entre algunas de las manifestaciones clínicas relacionadas con defectos mitocondriales están:

• Atrofia del nervio óptico.
• Encefalopatía necrotizante infantil.
• Desorden hepatocerebral.
• Epilepsia catastrófica juvenil.
• Síndrome de ataxia-neuropatía.
• Cardiomiopatías.
• Enfermedades cerebrales de la materia blanca.
• Disfunción ovárica.
• Sordera (pérdida de la audición).

Diferencias de las mitocondrias en células animales y vegetales

Células animales y células vegetales contienen mitocondrias. En ambos tipos de células estos orgánulos ejercen funciones equivalentes y, aunque no sean muy importantes, existen algunas pequeñas diferencias entre estos orgánulos.

Las principales diferencias entre las mitocondrias animales y vegetales tienen que ver con la morfología, el tamaño y algunas características genómicas. Así, las mitocondrias pueden variar en tamaño, número, forma y organización de las crestas internas, aunque esto también es cierto para los distintos tipos de células en un mismo organismo.

El tamaño del genoma mitocondrial de los animales es un poco más pequeño que el de las plantas (̴ 20kb vs. 200 kb, respectivamente). Además, las mitocondrias vegetales codifican tres tipos de ARN ribosomal (los animales codifican solo dos).

No obstante, las mitocondrias vegetales dependen de algunos ARN de transferencia nucleares para la síntesis de sus proteínas.

Referencias

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