Mitocondria.

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. Varían de tamaño y forma dependiendo de su origen y de su estado metabólico.

Las mitocondrias se desplazan por el citoplasma generalmente asociadas a microtúbulos y suelen localizarse cerca de los lugares en los que se consumen grandes cantidades de ATP, así, hay un gran número de mitocondrias en el musculo cardiaco.

Las dimensiones de la mitocondria guardan relación con su abundancia. Su anchura varía de 0.5 µm a 1 µm de anchura, y su longitud, de 1 µm a 7 µm, aunque en el miocardio pueden observarse mitocondrias de hasta 10 µm de largo.

Las mitocondrias contienen las enzimas del ciclo de Krebs y de la fosforilación oxidativa, así como los componentes de la cadena transportadora de electrones. De ahí su importancia metabólica, tanto en la oxidación de los glúcidos como en la de los lípidos, que lleva aneja la producción de ATP, fuente de energía para la célula. Por eso su tamaño, número y forma son muy variables de acuerdo con las necesidades de cada tipo celular.

La membrana externa tiene un 60% de proteínas y un 40% de lípidos, y es más semejante al retículo endoplásmico que la interna, incluso en su vida media, que es de 5.2 días. Contiene algo de colesterol, fosfatidil colina, fosfatidil etanolamina, fosfatidilinositol y escasa cardiolipina (difosfatidil-glicerol). Entre las proteínas se encuentran transportadores de electrones (citocromo b5 y la reductasa de b5-NADH), una enzima que oxida monoaminas a aldehídos (monoaminooxidasa), enzimas que intervienen en la degradación oxidativa de los lípidos (acil-CoA sintetasa y fosfolipasa A), enzimas que fosforilan nucleósidos (nucleósido difosfatasa quinasa), el complejo para la inserción en la mitocondria de proteínas sintetizadas en el citosol, proteínas de la familia Bcl-2 que regulan la apoptosis, y múltiples copias de una proteína llamada porina, que forma grandes canales acuosos que atraviesan la membrana.

La membrana interna (incluidas las crestas) tiene un 80% de proteínas y un 20% de lípidos. Es más semejante a la de las bacterias y las laminillas internas de los cloroplastos, y su vida media es de unos 12.6 días. Carece de colesterol y contiene fosfatidil glicerol y cardiolipina en mucha mayor proporción que la membrana externa. El alto contenido en cardiolipina la hace impermeable a los iones y la sacarosa. Es más densa que la externa y posee muchas más proteínas, entre las que se encuentran el complejo para la inserción de proteínas sintetizadas en el citosol o en la matriz, enzimas de oxidación de ácidos grasos, transferasas (como las que transfieren el grupo acilo a la carnitina o las que transportan la acil-carnitina, ADP, P, aminoácidos o ácido pirúvico a la matriz mitocondrial), todos los componentes de la cadena transportadora de electrones y la enzima ATP sintetasa, que realiza la fosforilación oxidativa.

La membrana interna presenta invaginaciones hacia el interior, que constituyen tabiques denominados crestas. El número de crestas es muy variable y, normalmente, está relacionado directamente con las necesidades de producción de energía de la célula; así, las crestas son muy numerosas en el músculo y escasas en el hígado. Las crestas se orientan preferentemente en sentido perpendicular al eje longitudinal de la mitocondria, pero en algunas células la orientación es diferente, así, en algunas neuronas las crestas son paralelas al eje longitudinal, y en el miocardio y en los adipocitos no son rectas, sino curvas.

El compartimiento interno de la mitocondria constituye la matriz mitocondrial. El compartimiento interno de la mitocondria comprende algunas estructuras que pueden observarse con el microscopio electrónico, tales como ribosomas, DNA, gránulos osmiófilos e inclusiones lipídicas, junto con iones, pequeñas moléculas y macromoléculas no visibles.

1.    Metabolismo Oxidativo en la Mitocondria. El primer paso en la participación de la glucosa en la glucólisis es la fosforilación de la glucosa a Glc-6-P, catalizada por la enzima hexocinasa. La formación de Glc-6-P a partir de la glucosa libre y de fosfato inorgánico es energéticamente desfavorable, de manera que debe gastarse una molécula de ATP o invertirse en la reacción de fosforilación.

El segundo paso en la glucólisis es la conversión de Glc-6-P en Fru-6-P mediante la fosfoglucosa isomerasa.

Se invierte una segunda molécula de ATP para fosforilar la Fru-6-P en la posición del C-l; la reacción está catalizada por la fosfofructocinasa-1 (PFK-1) para dar lugar al intermedio seudosimétrico (fructosa 1,6-bisfos- fato, Fru-l,6-BP), que tiene un éster fosfato en cada extremo de la molécula.

La reacción catalizada por la aldolasa es una reacción en equilibrio fácilmente reversible, que proporciona 2 triosas fosfato, dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato, de las mitades superior e inferior de la molécula de Fru-1,6-BP, respectivamente. Sólo el gliceraldehído-3-fosfato continúa hasta el estadio de rendimiento de la glucólisis.

En la etapa de fosforilación a nivel de sustrato, el grupo aldehido del gliceraldehído-3-fosfato es oxidado a ácido carboxilido y la energía de esta oxidación es parcialmente utilizada para atrapar un fosfato citoplasmático como un acil fosfato. Esta reacción está catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) y da como resultado el compuesto de alta energía (X~P), 1,3-bisfosfoglicerato.

La fosfoglicerato cinasa (PGK) cataliza la transferencia del grupo fosfato del acil fosfato de alta energía del 1,3-BPG al ADP, formando ATP. Esta reacción de fosforilación a nivel de sustrato proporciona el primer ATP producido en la glucólisis. El grupo fosfato restante en el 3-fosfoglicerato es un éster de fosfato y no tiene suficiente energía para fosforilar el ADP, de manera que siguen una serie de reacciones de isomerización y deshidratación para convertir el éster fosfato en un enol fosfato de alta energía. El primer paso es desplazar el fosfato a la posición C-2 del glicerato, convirtiendo el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato.

A continuación, el 2-fosfoglicerato sufre una reacción de deshidratación catalizada por la enolasa, una hidratasa, para proporcionar el compuesto de fosfato de alta energía, fosfoenolpiruva- to (PEP).

El PEP es utilizado por la piruvato cinasa para fosforilar el ADP, generándose piruvato y el segundo ATP, otra vez por fosforilación en el sustrato.

2.    Formación de ATP. El sistema de transporte de electrones, conocido también como cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria, se localiza en la membrana mitocondrial interna. Está formado por varios complejos de proteínas grandes y por dos pequeños componentes independientes, la ubiquinona y el citocromo c. Los componentes proteicos son muy complejos; por ejemplo, el complejo I, que acepta electrones procedentes del NADH, contiene 46 subunidades como mínimo. Cada paso de la cadena de transporte de electrones implica una reacción redox en la que los electrones son transferidos desde los componentes que tienen potenciales de reducción más negativos a los componentes con potenciales de reducción más positivos. Los electrones son conducidos a través de este sistema en una secuencia definida desde coenzimas de nucleótidos reducidas hasta el oxígeno; asimismo, los cambios de energía libre impulsan el transporte de protones desde la matriz hasta el espacio intermembranoso mediante tres bombas de protones. Después de cada paso, los electrones se encuentran en un estado de energía más bajo.

El complejo IV, conocido como citocromo c oxidasa o citocromo oxidasa, se encuentra en forma de dímero en la membrana mitocondrial interna. Oxida el citocromo c móvil y transporta electrones a través de los citocromos a y a3; finalmente, reduce el oxígeno a agua en una reacción de transferencia de cuatro electrones.

Según la hipótesis quimiosmótica, las mitocondrias producen ATP utilizando la energía libre procedente del gradiente de protones generado durante la oxidación de NADH y FADH2. Esta energía se describe como una fuerza motriz de protones, un gradiente electroquímico creado por el gradiente de concentración de protones y una diferencia de carga (exterior positivo) a través de la membrana mitocondrial interna. Para funcionar, requiere un sistema de membrana interna que sea impermeable a los protones, excepto a través de la ATP sintasa o de otros complejos en una forma regulada. Cuando los protones son bombeados fuera de la matriz, el espacio intermembranoso se convierte en más ácido y con mayor carga positiva que la matriz.

El mecanismo de control de la respiración más antiguo y simple que se conoce es mediante el aporte de ADP. Se basa en el hecho de que, cuando se añade ADP a mitocondrias aisladas, el ADP estimula la respiración y la síntesis de ATP. Cuando el ADP ha sido convertido completamente en ATP, la respiración recupera su frecuencia inicial. La fosforilación oxidativa también está estrechamente acoplada a otras vías fundamentales, como la glucólisis, la oxidación de ácidos grasos y el ciclo de los ácidos tricarboxilicos.