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PEROXISOMAS
Los peroxisomas son organelos pequeños con una sola membrana, que están presentes en todas las células eucariotas. Se caracterizan por tener inclusiones electrónicamente densas (núcleo cristaloide) derivadas de una enorme concentración de enzimas que llevan a cabo una variedad de reacciones metabólicas, cuyas actividades se ajustan de acuerdo a las necesidades, estados de desarrollo y tipos celulares. Todos los peroxisomas son catalasa positivos (enzima marcadora) y presentan una enorme heterogeneidad tanto en su morfología como en el conjunto superpuesto de enzimas que albergan, incluso en distintos tipos celulares del mismo organismo.
1. Forma. Son organelos de forma redonda u ovalada 2. Tamaño. Poseen un diámetro medio de 0,6 a 0.7 μm. Pueden cambiar de tamaño y de composición enzimática en función de las necesidades cambiantes de la célula 3. Número. Su número varía entre 70 y 100 por célula, suelen ser numerosas en hígado, páncreas, riñones, glándulas suprarrenales, que intervienen en el metabolismo de las grasas y la desintoxicación. Los eritrocitos carecen de peroxisomas. Pueden incrementar su número y tamaño frente a estímulos fisiológicos y volver a su número normal cuando el estímulo ha desaparecido. 4. Distribución. los peroxisomas se distribuyen por el citosol gracias a sus interacciones con los microtúbulos y los filamentos de actina. Estas interacciones, además, le permiten cambiar de forma y ayudan a separar los peroxisomas hijos tras una división 5. Estructura La membrana del peroxisoma tiene 7 nm de espesor y su composición es similar a la del retículo endoplasmático. Presenta transportadores de electrones, como el citocromo b5, y las enzimas reductasa de b5-NADH y reductasa de citocromo P450-NADH. En el interior del peroxisoma existe una matriz que contiene más de 50 enzimas diferentes relacionadas con distintas vías metabólicas. Dos vías altamente conservadas en los peroxisomas son la beta-oxidación de los ácidos grasos y el metabolismo del peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) por acción de la catalasa. Los peroxisomas, también contienen la enzima urato oxidasa, requerida en el catabolismo de purinas, las que reducen el oxígeno a través de oxidar a una variedad de substratos (lactato, D-aminoácidos, ácido úrico, etc. 6. Funciones. Se han descrito las siguientes funciones: metabolismo del peróxido hidrógeno, detoxificación de compuestos nocivos, oxidación de ácidos grasos, metabolismo de compuestos nitrogenados - Detoxificación. son importantes para la desintoxicación de compuestos como las especies reactivas del oxígeno (ROS, Reactive oxygen species) y las especies reactivas del nitrógeno (RNS, Reactive nitrogen species). La mayoría de los ROS es generada a nivel mitocondrial. Los radicales superóxido (O 2 - ) son producidos en los complejos I y III de la cadena de transporte electrónico, mediante una transferencia de electrones al oxígeno molecular. El O 2 -^ es el principal ROS producido y da origen a los demás ROS de importancia biológica: peróxido de hidrógeno, radical hidroxilo, radical peroxilo y el oxígeno singulete o individual. Los peroxisomas son una fuente importante de H 2 O 2 , que se produce a través de las acciones de múltiples oxidorreductasas dependientes de FAD implicadas en diversos procesos metabólicos peroxisomales, incluida la β-oxidación y la síntesis de ácidos biliares. Los
peroxisomas son responsables de hasta el 20% del consumo total de oxígeno celular y producen hasta el 35% del H 2 O 2 total en ciertos tejidos. Los peroxisomas poseen enzimas que descomponen las especies reactivas de oxígeno, como la catalasa y la glutatión peroxidasa, que descomponen el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) a agua (H 2 O), y la superóxido dismutasa, que descompone el superóxido. La alteración de la homeostasis del H 2 O 2 se ha relacionado con numerosas enfermedades como la diabetes, el cáncer, la obesidad y la lesión renal diabética, lo que demuestra la importancia de este proceso en el metabolismo sistémico.
- Oxidación peroxisomal de los ácidos grasos. - Los peroxisomas al igual que las mitocondrias participan en la β-oxidación de los ácidos grasos, aunque ambas vías difieren en múltiples aspectos. Las enzimas implicadas en las dos vías son distintas y, por tanto, las vías tienen especificidades de sustrato únicas. Mientras que la β-oxidación mitocondrial degrada los ácidos grasos de cadena corta, media y la mayoría de los de cadena larga, la β-oxidación peroxisomal cataboliza los ácidos grasos de cadena muy larga (VLCFAs, very long-chain fatty acids ≥22 carbonos), el ácido di- y trihidroxicolestanoico ( DHCA, di- hydroxycholesta-noic acid y THCA, trihydroxy- cholestanoic acid ) y ciertos ácidos grasos poliinsaturados. En los trastornos de la biogénesis peroxisomal, los VLCFA, DHCA y THCA se acumulan, lo que demuestra que este organelo es indispensable en la oxidación de estos sustratos. Otra diferencia se debe al hecho deque los peroxisomas carecen de cadena de transporte de electrones ( ETC, electron transport chain ), la β- oxidación peroxisomal requiere que sus productos sean transportados a la mitocondria para su oxidación completa.
8. Enfermedades peroxisomales Los trastornos peroxisomales representan un grupo de enfermedades genéticas en las que existe una alteración en una o más funciones peroxisomales. Los trastornos peroxisomales suelen subdividirse en tres subgrupos: 1) Los trastornos de biogénesis peroxisomal ( PBD, peroxisome biogenesis disorders ), comprenden cuatro trastornos diferentes: el síndrome de Zellweger ( ZS, zellweger syndrome ), la adrenoleucodistrofia neonatal ( NALD, neonatal adrenoleukodystrophy ), la enfermedad de Refsum infantil ( IRD, infantile refsum disease ) y la condrodisplasia punctata rizomélica tipo 1 ( RCDP1, rhizomelic chondrodysplasia punctata type 1 ). El síndrome de zellweger es el trastorno más grave y la enfermedad de refsum infantil es el menos grave. 2) Las deficiencias de una sola enzima peroxisomal, comprenden siete trastornos diferentes, entre ellas se encuentra la deficiencia de acil-CoA oxidasa 1, deficiencia de fitanoil-CoA hidroxilasa (enfermedad de Refsum del adulto), entre otras. 3) Las deficiencias en transporte del sustrato peroxisomal, se limita a una sola enfermedad, la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X (X - ALD, X-linked adrenoleukodystrophy ), que es el trastorno peroxisomal más común. La adrenoleucodistrofia, es una enfermedad genética con herencia ligada al cromosoma X que produce una desmielinización intensa y la muerte prematura en niños. Esta afección ocasiona la acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga en el sistema nervioso, en las glándulas suprarrenales y en los testículos. El gen responsable de la enfermedad es ABCD1 (ATP binding cassette subfamily D member 1 ) , que codifica para la proteína de adrenoleucodistrofia ( ALDP, drenoleukodystrophy Protein ), un transportador localizado en la membrana de los peroxisomas. La deficiencia en ALDP asociada a mutaciones puntuales impide la β-oxidación de los ácidos grasos de cadena muy larga facilitando su acumulación en el plasma y los tejidos TRASTORNO GEN DEFECTUOSO METABOLITOS AFECTADOS Sindrome de Zellweger PEX 1, 2, 3, 5, 6, 10, 12, 13, 14, 16, 19, 26. Acidos grasos cadena muy larga, acidos biliares, acido fitanico y pipecolico, plasmalógeno eritrocitico Condrodisplasia rizomelica punt. tipo I PEX7 Acido fitanico, plasmalógeno eritrocitico Adrenoleucodistrofia ligada a Chr X ABCD1 Acidos grasos de cadena muy larga Deficit de acil CoA oxidasa ACOX1 Acidos grasos de cadena muy larga Enfermedad de Refsum PHYH Acido fitanico
MITOCONDRIAS
Las mitocondrias (gr. m itos = hilo, filamento; chondrios = gránulo), son organelos presentes en todas las células eucariotass. Son llamados “la central de energía de la célula” debido a que sus actividades metabólicas proporcionan la energía requerida para las actividades celulares. El conjunto de mitocondrias de una célula se denomina condrioma. Las mitocondrias pueden existir de forma individual o en redes mitocondriales dinámicas. Ellos son organelos altamente dinámicos capaces de transportarse a lo largo del citoesqueleto y distribuirse en zonas celulares de alta demanda energética, fusionarse y dividirse dentro de la célula; por ello el concepto de las mitocondrias está cambiando. Actualmente se consideran no una unidad sino una red en constante remodelación mediante diversos procesos que responden a los requerimientos de la célula. Las mitocondrias desempeñan un papel importante en el metabolismo oxidativo y la generación de ATP; además, participan en ellos procesos de señalización celular, diferenciación, apoptosis, entre otras.
- Forma. La forma es variable, en general, son filamentosas o granulares, pero también pueden encontrarse filamentos largos, estructuras ramificadas y hasta hélices o solenoides. Ej. En célula de embriones jóvenes tienen forma casi esférica, en fibroblastos son estructuras alargadas; en enterocitos, el polo apical presenta mitocondrias filamentosas y el basal presenta granulares. La forma puede variar dependiendo de factores intrínsecos y extrínsecos.
- Factores Intrínsecos: Según el estado funcional como tras la ingestión de alimento.
- Factores extrínsecos: Por corrientes citoplasmáticas que pueden producir deformaciones. 2. Tamaño. El tamaño es variable. En la mayoría de las células el ancho es de unos 0,5 a 1μ m y entre 1- 2μm de largo; sin embargo, la longitud puede variar llegando a medir hasta 7 μm de largo. El tamaño depende de la presión osmótica y el pH. 3. Número. El número varía según el tipo celular, edad y el estado funcional. En el hígado hay unas 1000- 2000 mitocondrias por célula. Son abundantes, en las células del miocardio, los túbulos contorneados del riñón y otras células que necesitan una gran fuente de energía. El corazón, por ser un tejido de gran demanda energética, constituyen cerca del 20-40% del volumen celular. Los ovocitos tienen hasta 300000 mitocondrias. Los fibroblastos, linfocitos y espermatozoides tienen pocas mitocondrias, coincidiendo con una respiración de baja intensidad. La falta de mitocondrias se observa en los eritrocitos y los queratinocitos terminales. En las células cancerosas el número de mitocondrias es menor, esto puede ser consecuencia del incremento de la glucólisis anaeróbica y la disminución de la respiración celular. 4. Distribución. Las mitocondrias se distribuyen de forma homogénea por el citosol. La función de la célula condiciona la localización de las mitocondrias, ellas son desplazadas desde unas partes de la célula a otras y suelen localizarse donde existe más demanda de energía o de calcio. Los movimientos son saltatorios o discontinuos. Los desplazamientos de larga distancia están mediados por microtúbulos y sus proteínas motoras, mientras que los de corta distancia están mediados por los filamentos de actina. Ej. En los conos y bastones de retina las mitocondrias se localizan en el segmento interno, en células del túbulo contorneado proximal del riñón se hallan contiguas a los pliegues de la membrana plasmática basolateral; en las neuronas se desplazan y distribuyen a toda la longitud del axón y las dendritas; en los espermatozoides se ubican en la pieza intermedia organizadas extremo con extremo que envuelven a la cola en forma helicoidal; en células en división se acumulan alrededor del huso mitótico ; y en ciertas células musculares (diafragma) las mitocondrias se agrupan como anillos o brazaletes alrededor de la banda I de la miofibrilla.
bicapa lipídica. Se conoce que estabilizan las proteínas, pero también aumentan la capacidad de la membrana para sostener remodelaciones rápidas necesarias para funciones biológicas como la fusión, la fisión, la gemación, y posiblemente en la dinámica de la forma de las crestas. Esta propiedad, denominada plasticidad morfológica, no sólo depende de las especies lipídicas presentes, sino también de su distribución. La membrana mitocondrial interna posee unas invaginaciones que se adentran en la matriz mitocondrial, denominadas crestas mitocondria- les, que incrementan el área superficial para el acomodo de las proteínas de la cadena respiratoria y de las ATPasas, así como permiten la expansión o hinchazón de las mito- condrias en diferentes condiciones metabólicas y ambientales. Su integridad es crucial para el correcto funcionamiento de la mitocondria. El número y forma de las crestas determinan la actividad celular y la velocidad de respiración varía con el área de la superficie de la membrana. Ej. el hígado, que tiene una velocidad de respiración relativamente baja, contiene mitocondrias con pocas crestas, mientras que las del músculo cardíaco contienen muchas. Esta relación es variable y las mitocondrias de las células que tienen una mayor demanda de ATP, tales como las células musculares, contiene un elevado número de crestas. Las crestas se orientan generalmente en sentido perpendicular al eje longitudinal de la mitocondria, pero en otras células es diferente; así, en células del túbulo renal proximal las crestas son pliegues paralelos al eje longitudinal, en adipocitos son curvas y en glándulas suprarrenales y células de Leydig del testículo, son tubulares. 5.3. Espacio intermembranoso o cámara externa: Presenta una composición similar al del citosol, respecto a los iones y moléculas pequeñas. Contiene elevada concentración de protones, enzimas específicas que utilizan el ATP generado en la membrana interna, entre ellas la creatina quinasa, la adenilato quinasa y el citocromo c.
5.4. Matriz mitocondrial o mitosol: La matriz mitocondrial, también llamada mitosol, contiene una sustancia tipo gel (<50% de agua) muy rica en proteína (66% del total de la proteína de la mitocondria). Entre las proteínas se encuentran las enzimas solubles del metabolismo oxidativo, como las del ciclo de Krebs. También hay metabolitos (como el piruvato y el citrato), cofactores nucleotídicos e iones inorgánicos. La matriz mitocondrial también contiene su propio material genético, así como la maquinaria para sintetizar sus propios ARN (ARNm, ARNt y ARNr). En la matriz mitocondrial, tiene lugar diversas reacciones químicas que participan en la producción de ATP, la fosforilación oxidativa, el ciclo de krebs, la β-oxidación de ácidos grasos, la replicación, transcripción y traducción de la información mitocondrial. Existen, además gránulos densos y estos corresponden a lugares de acumulación de cationes divalentes como el Ca^2 +^ y Mg2+
6. Dinámica Mitocondrial La dinámica mitocondrial engloba los procesos de: a) el remodelado del retículo mitocondrial mediante procesos de fusión y fisión, el cual se halla estrechamente vinculado al estado metabólico celular y es controlado por la actividad de proteínas GTPasas relacionadas con la familia de las dinaminas; y b) la motilidad mitocondrial, particularmente relevante en células polarizadas y que corresponde al desplazamiento de las mitocondrias dependiente de los motores kinesina 1 y 3, lo que asegura el suministro local de ATP en procesos biológicos con elevados requerimientos energéticos. a. Fusión y Fisión. Las mitocondrias se pueden dividir y fusionar entre sí con facilidad, y ocurre constantemente en las células, con la consiguiente mezcla de los ADN mitocondriales. Los procesos de fusión y fisión son complejos puesto que han de hacerlos las dos membranas mitocondriales de forma correcta. Las posibles funciones de la fusión y fisión de las mitocondrias son compartir los productos sintetizados por distintas partes de la red, paliar defectos locales, o compartir el ADN mitocondrial. Hay muchas evidencias de que la fusión de las mitocondrias aumenta cuando la célula está en nivel de estrés medio y tiene un carácter protector. La fusión mitocondrial , es un proceso por el cual dos o más mitocondrias se unen para formar una sola. Está regulado por proteínas denominadas mitofusinas (Mfn1, 2), localizadas en la membrana externa de la mitocondria y otra, la OPA1, en la membrana interna. Las mitofusinas se encargan de realizar la primera unión entre las mitocondrias, de modo que se inmovilizan estableciendo una unión física que permite un arreglo nuevo entre sus membranas y su contenido. No obstante, es necesario que la membrana interna se fusione y se formen las nuevas crestas. Al igual que las mitofusinas, la unión de varias OPA1 permite que las membranas internas se unan y se formen y remodelen las crestas mitocondriales. Este paso es de suma importancia ya que en las crestas mitocondriales se encuentran los componentes necesarios para la generación de energía. La fisión mitocondrial , permite la división de las mitocondrias para formar nuevas, y lo regulan principalmente dos proteínas: la proteína parecida a la dinamina ( Drp1, Dynamin-related protein 1 ), que se encuentra libre en el citoplasma y la Fis1, localizada en la membrana externa. Para que las mitocondrias puedan dividirse es necesario que un gran número de proteínas Drp1 se unan a Fis1. Esta unión hace que grandes cantidades de Drp1 formen una estructura en espiral que poco a poco va dando lugar a un anillo que será el responsable de que la mitocondria se divida, ya que la cierra y la constriñe de manera simétrica hasta separarla en dos. Antes de su división debe haber un arreglo y repartición de todos sus componentes para su buen funcionamiento, como el ADNmt y las proteínas de la respiración celular. Este proceso también le sirve a la célula para desechar mitocondrias dañadas apartando selectivamente el contenido dañado en una de las mitocondrias nuevas para que sea degradado por la célula mediante mitofagia.
8. Incorporación de proteínas a la mitocondria La mitocondria tiene varias copias del DNA circular (DNAmt) con la información para la síntesis de 13 proteínas por los mitorribosomas, y ellas forman parte de los diferentes complejos de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa. La mayoría de las proteínas mitocondriales son codificadas por el genoma nuclear y se sintetizan por los ribosomas citosólicos y permanecen desplegadas tras su síntesis al interaccionar con otras proteínas de la familia Hsp70. Por lo tanto, debe haber mecanismos específicos que coordinen el transporte y la acumulación de proteínas desde el citosol a la mitocondria de manera regulada, para garantizar el correcto funcionamiento de la maquinaria mitocondrial. Estos mecanismos deben ser capaces también de mediar el transporte de las proteínas a diferentes compartimentos de la mitocondria. Las proteínas que serán transportadas a las mitocondrias poseen unas secuencias señal que permiten su reconocimiento por receptores presentes en la superficie de este organelo y su posterior transporte por la translocasa de la membrana externa ( TOM, translocase of the outer membrane ), o por una de las dos translocasas de la membrana interna ( TIM, translocase of the inner membrane ). Las proteínas sintetizadas en el citosol que van a formar parte de la membrana interna o del espacio perimitocondrial necesitan dos péptidos señal, uno para anclarse en la membrana externa, y el segundo para el anclaje en la membrana interna. La inserción puede seguir tres vías: a. Estas proteínas entran en la matriz de la misma forma que las que van a residir allí, pero luego se anclan en la membrana interna por su segundo péptido señal a través del complejo OXA ( oxidase assembly translocase ). Si van a pasar al espacio perimitocondrial, este péptido es lisado. b. La proteína, en su paso a la matriz, es frenada por el TIM23 y se inserta por su segundo péptido señal en la membrana interna. Como en el caso anterior, si va a pasar al espacio perimitocondrial se libera de este péptido señal. c. Un grupo de proteínas especializadas en el transporte de metabolitos a través de la membrana interna, presentan en vez de péptido señal terminal, varios péptidos señal intercalados en su estructura. Estas proteínas penetran por el TOM hasta un componente del TIM (TIM22) que las ancla en la membrana interna por medio de estos péptidos señal. Las proteínas sintetizadas en la matriz mitocondrial quedan allí o pasan a la membrana interna. En este segundo caso, poseen un péptido señal que es reconocido por el complejo OXA.
9. Funciones de las mitocondrias La función primaria de las mitocondrias es la producción de ATP, necesario para diferentes procesos celulares. Pero también llevan a cabo parte del metabolismo de los ácidos grasos mediante un proceso denominado β-oxidación y actúa en homeostasis de calcio, formación de grupos hemo, síntesis de aminoácido y biogénesis de grupos hierro-sulfuro, intervención en la transducción de señales, procesos de supervivencia celular, control de especies reactivas de oxígeno, termogénesis y en la actividad ante infecciones como ocurre en los procesos inmunológicos. También se han relacionado a las mitocondrias con la apoptosis, el cáncer, el enveje-ci- miento, y con enfermedades como el Parkinson o la diabetes, así como con la respuesta inmune innata. 9 .1. Producción de ATP. Las células utilizan la oxidación de los nutrientes como fuente de energía para la obtención de ATP. La cantidad de energía libre que se produce en la oxidación completa de la glucosa hasta CO2 y H2O (respiración y/o combustión) es de ΔG´0 = - 686Kcal. En la oxidación completa de glucosa en las células, participan varias rutas metabólicas (glucolisis, oxidación del piruvato, ciclo de Krebs, cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa) así como varios compartimentos (citosol, membranas mitocondriales y matriz mitocondrial). a. Glucólisis. La glucólisis tiene lugar en el citosol bajo condiciones anaerobias, en ella la energía libre de la glucosa se conserva en forma de 2ATP y 2NADH. En este proceso, la glucosa se transforma a través de una secuencia de 10 reacciones catalizadas enzimáticamente,
4 carbonos (ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6C (ácido cítrico). El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, por lo tanto reducen moléculas de NAD+^ a NADH y de FAD+^ a FADH 2. Además, ocurren dos carbo- xilaciones (se forma CO 2 ) y como resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4C, el ácido oxalacético. Dado que por cada molécula de glucosa inicial se habían obtenido dos de ácido pirúvico y, por lo tanto, dos moléculas de acetil CoA, debiéndose cumplirse dos vueltas del ciclo de Krebs por cada molécula de glucosa. En este proceso se obtienen 2 ATPs por fosforilación oxidativa; además de 6 NADH, 2 FADH2, y 4 CO 2. d. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa. Transporte de electrones En esta etapa se oxidan las coenzimas reducidas, el NADH se convierte en NAD+^ y el FADH 2 en FAD+. Al producirse esta reacción, los electrones (e-) son transportados secuencialmente mediante una serie de reacciones redox a través de la cadena respiratoria por un grupo de transportadores de electrones, llamados citocromos. Los citocromos experimentan sucesivas oxidaciones y reducciones (reacciones en las cuales los e-^ son transferidos de un dador de e-^ a un aceptor). La cadena transportadora está formada por el complejo I, la ubiquinona, el complejo III, el citocromo c, para llegar finalmente al complejo IV, dónde los cederá al oxígeno molecular generando moléculas de H 2 O. De forma alternativa, los e-^ del FADH 2 , pasan a la ubiquinona y son canalizados mediante el complejo III, citocromo c y complejo IV para que lleguen hasta la reducción del oxígeno molecular (O 2 ). La cadena transportadora de electrones consta de 5 complejos multiproteicos y 2 moléculas que actúan como nexo de unión (coenzima Q o ubiquinona y citocromo c), organizados según su potencial redox.
- Complejo I o NADH deshidrogenasa. Es el más grande de los complejos. Este complejo recibe 2 átomos de hidrógeno del NADH, que se oxida, liberando 2 e-^ y reduciendo mononucleótido de flavina (FMN) a FMNH 2. Este último transfiere los electrones al segundo portador de la cadena transportadora de electrones, la CoQ, a través de sus centros Fe/S. La energía obtenida del paso de electrones es utilizada por el complejo I para transportar 4 H+^ desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembrana, lo que representa un flujo de 2 H+^ por cada NADH consumido. CoQ. La CoQ es un transportador lipofílico de ubiquinona incrustado en la bicapa lipídica de la membrana mitocondrial interna. Es capaz de separar los protones (que se liberan en la matriz mitocondrial) de los electrones proporcionados por FMNH 2.
- Complejo II o succinato deshidrogenasa. También forma parte del ciclo de Krebs. El complejo II contribuye a la transferencia de e-, pero no hay bombeo de H+^ al espacio intermembrana. Los 2 e-^ producidos durante la oxidación de succinato a fumarato se transfieren directamente a la CoQ.
- Complejo III o citocromo c oxidorreductasa. Este complejo recibe electrones de la CoQ y los pasa al citocromo c; después, transporta 4 H+^ hacia el espacio intermembrana. Citocromo c. El citocromo c es una proteína hemo hidrófila situada en la superficie externa de la membrana mitocondrial interna. Transfiere electrones entre los complejos III y IV.
- Complejo IV o c itocromo c oxidasa. Este complejo transfiere 4 e-^ al O 2 , reduciéndolo a 2 moléculas de H 2 O, que consume 4 H+^ (de la matriz mitocondrial).
- Complejo V o ATP-sintasa. El complejo V se compone de dos dominios distintos (F 1 y F 0 ). La ATP sintasa es el sitio donde se produce el ATP a partir de los sustratos ADP + Pi. Mientras que los e- que viajan a través de la cadena transportadora de electrones son finalmente transferidos a O 2 en el complejo IV, la mayoría de los protones que fueron transferidos de la matriz mitocondrial al
espacio intermembrana regresan a través del complejo ATP sintasa, anulando el gradiente electro-químico. La energía liberada por el retorno de los H+^ según su potencial electroquímico se utiliza en forma de energía mecánica para permitir el funcionamiento de la ATP sintasa. La ATP sintasa actúa como un motor rotativo. Por tanto, es una enzima funcionalmente reversible ya que a partir de ADP y Pi puede sintetizar ATP utilizando la fuerza protón motriz generada a través de la membrana interna o puede hidrolizar ATP para bombear protones en contra del gradiente electroquímico. Se consideran dos modelos en La organización de los complejos de la cadena respiratoria en la membrana. Un primer modelo, el llamado modelo de estado sólido , proponía que todos los componentes de la cadena respiratoria se reunían en una entidad rígida de orden superior, conocidos como supercomplejos o respirasomas ( respirosomes ). Un segundo denominado modelo de colisión fluida o aleatoria , proponía que los componentes individuales de la cadena respiratoria se difunden libremente en la membrana con QH2 y cyt. c actuando como portadores móviles de electrones entre los complejos, los cuales chocan aleatoriamente. Los supercomplejos formados por los Complejos I, III y IV son también conocidos como respirasomas. El Complejo I puede formar una asociación estable con el dímero del Complejo III, formando el supercomplejo I+III2, al cual se pueden unir de una a cuatro copias del Complejo IV, formando el supercomplejo I+III2+IV1-4 o respirasoma. Fosforilación oxidativa El flujo de electrones está acoplado al proceso de fosforilación. Puesto que la fosforilación del ADP para formar ATP se encuentra acoplada a la oxidación de los componentes de la cadena de transporte de electrones, este proceso se denomina fosforilación oxidativa. Los electrones (e-) de alto nivel energético descienden paso a paso hasta el bajo nivel energético del oxígeno (último aceptor de la cadena), formándose de esta manera agua. El transporte de electrones paso a paso, desde el NADH o el FADH 2 hasta el oxígeno molecular a través de la cadena transportadora de electrones, da por resultado el bombeo de H+^ a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembrana. Los complejos I y III bombean 4 H+^ y el IV
9 .3. Control de las especies reactivas de oxigeno (ROS) Como resultado del transporte electrónico, una pequeña parte del O 2 molecular se trasforma en el radical superóxido O 2 - ˙. Esta pérdida de electrones, convierte a la mitocondria en el principal generador de especies reactivas de oxígeno. La enzima superóxido dismutasa ( SOD, superoxide dismutase ) mitocondrial, cataliza este radical O 2 - ˙ para formar H 2 O 2 y los subsecuentes OH-˙. En condiciones normales, las mito- condrias tienen eficientes mecanismos antioxidantes que evitan causar daños permanentes. Los propios radicales actúan como señales que activan procesos de ajuste de masa mitocondrial, distribución y fenotipo de las mismas, con el fin de seleccionar las mitocondrias más activas y degradar las más dañadas. Todo este proceso conlleva una replicación del DNA, síntesis de proteínas, fusiones y fisiones mitocondriales y proliferación mitocondrial. 9 .4. Homeostasis del Ca2+^ subcelular Las mitocondrias desempeñan un papel fundamental en la regulación de la señalización intracelular por Ca2+. Cuando, después de un estímulo, la concentración de Ca2+^ citosólica aumenta, las mitocondrias son capaces de captar y acumular grandes cantidades de Ca2+^ en su interior, regulando y modulando esta señal espacial y temporalmente. El Ca2+^ entra en la mitocondria gracias a la existencia de una diferencia de potencial eléctrico en la membrana mitocondrial interna, generada por el bombeo de protones hacia el espacio intermembrana mediante la cadena de transporte de electrones. La captación de Ca2+^ por parte de la mitocondria es capaz de regular la actividad de los canales de Ca2+, tanto de retículo endoplásmico como de membrana plasmática. Las mitocondrias poseen una vía principal de entrada de Ca2+, el uniportador de Ca2+^ mitocondrial ( MCU, mitochondrial calcium uniporter) y dos mecanismos de salida de Ca2+, el intercambiador Na+/Ca2+^ ( NCLX, mitochondrial Na +/Ca2+^ exchanger) y el intercambiador Ca2+/H+^ de membrana plasmática. En condiciones fisiológicas la mitocondria secuestra Ca2+^ del citosol para que más tarde sea liberado y recaptado por el retículo endoplasmático, existiendo así un continuo intercambio entre ambos organelos. La acumulación excesiva de Ca2+^ en la matriz mitocondrial en determinadas condiciones puede tener un efecto letal para la célula.
9 .5. Apoptosis La mitocondria está implicada en la apoptosis debido a la sobrecarga de Ca2+^ en el interior de la matriz. El Ca2+^ participa activamente como segundo mensajero, pero alteraciones de dicha señalización, ya sean fisiológicas o patológicas, pueden desencadenar los procesos apoptóticos. Si por algún motivo el Ca2+^ se mantiene elevado durante mucho tiempo en el citosol, la mitocondria acumulará continua- mente Ca2+^ en su interior. Esta sobre- carga de Ca2+^ en la matriz junto con otros factores como el estrés oxidativo, provocarán en última instancia la apertura del poro de transición de permeabilidad ( PTPm, mitochondrial permeability transition pore ). La apertura de este poro provoca la liberación de señales pro-apoptóticas como Smac/Diablo, el factor inductor de apoptosis ( AIF, apoptosis inducing factor ) o el citocromo c, y la pérdida del potencial de membrana mitocondrial con la consecuente incapacidad de formar ATP y por lo tanto la apoptosis. 10. Biogénesis La biogénesis de las mitocondrias supone la contribución de dos sistemas genéticos diferentes. Mientras que la mayoría de las proteínas mitocondriales, son codificadas por el ADN nuclear y son importadas hacia el organelo desde ribosomas libres en el citosol, otras proteínas son codificadas por el ADN mitocondrial. La formación de nuevas mitocondrias se ha explicado con la siguiente hipótesis. a. Síntesis de novo. Según esta hipótesis, las mitocondrias surgen de novo a partir de precursores en el citoplasma. b. Se cree que las mitocondrias tienen un origen bacteriano. Esto se apoya en muchas evidencias. i) La localización de enzimas de la cadena respiratoria. En las bacterias se localizan en la membrana plasmática que puede compararse con la membrana interna de la mitocondria. ii) En algunas bacterias, la membrana plasmática forma proyecciones membranosas (llamadas mesosomas) como las crestas mitocondrialess. En ellas están las enzimas respiratorias. iii) El ADN mt es circular como en las bacterias. El proceso de replicación de las mitocondrias es similar al de las bacterias. Este ADN carece de histonas iv) Los ribosomas de las mitocondrias son más pequeños que los ribosomas citosólicos. vi) La composición de la membrana externa es más parecida a la del retículo endoplásmico, mientras que la interna se parece más a la membrana plasmática de las células procariotas.
