Mitocondria. Estructura y composición




Las mitocondrias son las centrales energéticas de las células eucariotas, ya que en ellas tiene lugar la respiración, proceso que implica la obtención de energía a partir de moléculas orgánicas y su conversión en moléculas de ATP. Las mitocondrias varían de tamaño y forma, dependiendo de su origen y de su estado metabólico. Normalmente, son como cilíndros alargados con una longitud aproximada de 2 µm y un diámetro de entre 0.5 y 1 µm, aproximadamente el tamaño de una bacteria. Una célula eucariota típica contiene del orden de 2000 mitocondrias, que ocupan aproximadamente una quinta parte del volumen celular.


Las mitocondrias se desplazan por el citoplasma generalmente asociadas a microtúbulos y suelen localizarse cerca de los lugares en los que se consume gran cantidad de ATP; así, hay un gran número de mitocondrias entre las miofibrillas del músculo cardiaco y alrededor del flagelo en la pieza intermedia del espermatozoide.

Mitocondria
Mitocondria vista con el microscopio electrónico

El número de mitocondrias de las células varía ampliamente desde sólo una mitocondria en algunas algas hasta 100.000 en oocitos de anfibios e incluso medio millón en algunos protozoos. También está relacionado el número de mitocondrias de una célula con la necesidad de ATP.

Las mitocondrias aparecen en todas las células eucariotas, excepto en los arqueozoos, eucariotas que no poseen mitocondrias, probablemente porque las perdieron durante la evolución.

Descubrimiento de las mitocondrias

Probablemente las primeras observaciones se deben al botánico suizo Kolliker, quien en 1880-1888 anotó la presencia de unos gránulos en células musculares de insectos a los que denominó sarcosomas. Llegó incluso a la conclusión de que presentaban membrana. En 1882, el alemán Walther Flemming descubrió una serie de inclusiones a las que denominó fila. En 1884 también fueron observados por Richard Altmann, quien más tarde en su obra publicada en Leipzig Die Elementarorganismen describe una serie de corpúsculos que observa mediante una tinción especial que incluye fucsina. Especula que se trata de una suerte de parásitos independientes, con su propio metabolismo y los denomina bioblastos. El hallazgo fue rechazado como un artefacto de la preparación, y sólo más tarde fue reconocido como mitocondrias por N.H. Cowdry (1916). También los «plastídulos» del protozoólogo italiano Leopoldo Maggi podrían tratarse de observaciones tempranas de mitocondrias.

Sin embargo, el nombre de mitocondria, que es el que alcanzó mayor fortuna, se debe a Carl Benda, quien en 1889 denominó así a unos gránulos que aparecían con gran brillo en tinciones de cristal violeta y alizarina, y que anteriormente habían sido denominados «citomicrosomas» por Velette St. George. En 1904 F. Meves confirma su presencia en una planta, concretamente en células del tapete de la antera de Nymphaea, y en 1913 Otto Heinrich Warburg descubre la asociación con enzimas de la cadena respiratoria, aunque ya Kingsbury, en 1912 había relacionado estos orgánulos con la respiración celular. En 1934 fueron aisladas por primera vez a partir de homogeneizados de hígado y en 1948 Hogeboon, Schneider y Palade establecen definitivamente la mitocondria como el lugar donde se produce la respiración celular.

La presencia del ADN mitocondrial fue descubierta por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass en 1963.

Estructura de la mitocondria

Las mitocondrias poseen dos membranas: una membrana externa lisa y una membrana interna muy plegada cuyas invaginaciones reciben el nombre de crestas; estas membranas definen dos comportamientos diferentes: el espacio intermembranoso entre ambas membranas y la matriz, que está limitada por la membrana interna.

Esquema de una mitocondria
Esquema de una mitocondria

La morfología de las mitocondrias es muy cambiante y puede variar desde largas estructuras ramificadas a pequeños elipsoides. Se pueden dividir y fusionar entre sí con facilidad, con la consiguiente mezcla de sus ADNs. Si se fusionan dos células que tienen mitocondrias diferentes la población de mitocondrias es homogénea en 8 horas. Este proceso de fusión y fisión es complejo puesto que han de hacerlo las dos membranas de forma correcta.

Las enzimas que catalizan las reacciones de la respiración son componentes o de la matriz o de la membrana mitocondrial interna. En la matrix se producen el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico y la oxidación de los ácidos grasos, y en la membrana interna tiene lugar la fosforilación oxidativa. Por ello, las dos partes más importantes de la mitocondria desde el punto de vista funcional son la matriz y la membrana interna que la rodea.

Comsposición de la mitocondria

Membrana mitocondrial interna

La membrana mitocondrial externa está formada por una bicapa lipídica y numerosas proteínas asociadas, al igual que todas las demás membranas celulares.

Es muy permeable a la mayor parte de las moléculas pequeñas e iones, porque posee numerosos canales acuosos a través de la bicapa formados por porina o VDAC (de canal aniónico dependiente de voltaje), que permiten el paso de grandes moléculas de hasta 5.000 dalton y un diámetro aproximado de 20 Å.

Otras proteínas de esta membrana son las enzimas implicadas en la síntesis mitocondrial de lípidos y las que activan los ácidos grasos para que posteriormente sean oxidados en la matrix.

Espacio intermembranoso

Entre ambas membranas queda delimitado un espacio intermembranoso que está compuesto de un líquido similar al citoplasma; tienen una alta concentración de protones como resultado del bombeo de los mismos por los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria. En él se localizan diversas enzimas que intervienen en la transferencia del enlace de alta energía del ATP, como la adenilato kinasa o la creatina quinasa. También se localiza la carnitina, una molécula implicada en el transporte de ácidos grasos desde el citosol hasta la matriz mitocondrial, donde serán oxidados (beta-oxidación).

Membrana mitocondrial interna

La membrana mitocondrial interna se encuentra muy plegada en crestas, lo que aumenta notablemente su superficie y por ello su actividad. Es prácticamente impermeable a las sustancias polares e iones; sólo es completamente permeable al O2, CO2 y H2O.

Esquema la ATP-sintetasa, situada en la membrana interna mitocondrial
Esquema la ATP-sintetasa, situada en la membrana interna mitocondrial

Posee alrededor de un 75% de proteínas y un 25% de lípidos, lo que constituye un contenido en proteínas superior al de otras membranas celulares. En ella se pueden distinguir tres tipos diferentes de proteínas:

  • Proteínas transportadoras específicas, que regulan el paso de los metabolitos que son necesarios en la matriz (ADP, piruvato, ácidos grasos,...) y en el exterior (ATP,...).
    • Nucleótido de adenina translocasa. Se encarga de transportar a la matriz mitocondrial el ADP citosólico formado durante las reacciones que consumen energía y, paralelamente transloca hacia el citosol el ATP recién sintetizado durante la fosforilación oxidativa.
    • Fosfato translocasa. Transloca fosfato citosólico junto con un hidrón a la matriz; el fosfato es esencial para fosforilar el ADP durante la fosforilación oxidativa.
  • Las proteínas de la cadena respitarotia o cadena transportadora de electrones hasta el oxígeno.
    • Complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido (FMN).
    • Complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q o ubiquinona.
    • Complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c.
    • Complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua.
  • Un complejo enzimatico denominado ATP-sintetasa que cataliza la producción de ATP a partir de ADP y Pi.

La ATP-sintetasa translocadora de protoneses la estructura más compleja de la membrana mitocondrial interna. Contiene 8 cadenas polipeptídicas diferentes y en ella se distinguen dos componentes, F1 y F0. F1 es el componente que cataliza la síntesis de ATP y es una pequeña esfera proteica que está expuesta hacia la matriz mitocondrial. El componente F0 es un canal de protones que atraviesa la membrana.

Matriz mitocondrial

La matriz mitocondrial contiene una solución de apariencia gelatinosa, con menos del 50% de agua, que está formada por una mezcla muy concentrada de enzimas diferentes, sustratos, ADP, ATP e iones inorgánicos.

Contiene también la maquinaria genética mitocondrial (varias copias idénticas de ADN circular, RNA y ribosomas 70S), que sintetiza algunas proteínas mitocondriales.

Entre las numerosas enzimas de la matriz mitocondrial se encuentran:
  • Las responsables de la oxidación de las moléculas combustibles procedentes del citosol, como las enzimas del ciclo de Krebs y las de la β-oxidación de los ácidos grasos.
  • Las que intervienen en la replicación, transcripción y traducción del DNA mitocondrial.

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