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TEMA 5: LAS MITOCONDRIAS
La Tierra se formó hace unos 4 500 millones de años. Se han encontrado señales de vida en rocas de hace 3 500 millones de años. Las primeras células que aparecieron eran procariotas. Durante 1 500 millones de años solo hubo células procariotas, hasta que, hace unos 2 000 millones de años, aparecieron las primeras células eucariotas. Aún hubo de pasar mucho tiempo hasta que, hace unos 1 000 millones de años, surgieran los primeros seres pluricelulares.
En los primeros 2.000 millones de años de vida en el planeta, la atmósfera consistió principalmente en moléculas reducidas, como hidrógeno molecular (H2), amoniaco y agua. En este periodo la tierra estuvo poblada por procariotas anaerobios.
Microorganismos que captan y utilizan la energía por medio de un metabolismo independiente del oxígeno, anaeróbico, como la glucólisis y la fermentación.
Luego aparecieron las cianobacterias , un nuevo tipo de organismo que por su metabolismo (fotosintético) son capaces de separar moléculas de agua (en O2 y H). El O2 molecular se libera al medio y el hidrógeno se utilizaría para formar materia orgánica al unirlo a CO2. Las cianobacterias tuvieron gran éxito, y el océano, los lagos y la atmósfera rápidamente se llenaron del nuevo gas.
Aquellas especies que sobrevivieron a la toxicidad del oxígeno ( procariotas aerobios ), evolucionaron hasta tal punto que eran capaces de utilizar este oxígeno a través de vías metabólicas con gran rendimiento, quemando (oxidando) materia orgánica a CO2 y H2O. En ausencia de oxígeno los seres vivos solo pueden extraer una limitada cantidad de energía de los nutrientes (fermentaciones) excretando productos como ácido láctico y etanol.
- Autótrofo: sintetiza materia orgánica a partir de inorgánica (CO2, H2O, sales…) y la energía la obtiene del sol (fotosintético) o de reacciones químicas (quimiosintético).
- Heterótrofo: necesita materia orgánica para obtener energía y sintetizar su propia materia orgánica.
ORIGEN DE LA MITOCONDRIA (filogenético)
Los seres vivos que se convirtieron en dependientes de oxígeno fueron los primeros aerobios sobre la tierra y finalmente dieron lugar a todos los eucariontes y procariontes dependientes de oxigeno que viven en la actualidad.
Teoría endosimbiótica, las células eucariotas iniciaron su evolución en forma de organismos primitivos sin mitocondrias ni cloroplastos. Posteriormente, establecieron una relación endosimbiótica con bacterias que consistía en lo siguiente: las bacterias recibían protección y alimento mientras que ellas eran capaces de aportar energía. Las células eucariotas las fagocitaron, pero no fueron capaces de digerirlas. Así quedaron en el interior del eucariota y con el tiempo se hicieron simbiontes y han llegado hasta a nuestros días transformadas en orgánulos celulares.
DATOS QUE APOYAN LA TEORÍA ENDOSIMBIONTE:
- Dimensiones parecidas a las de las bacterias.
- ADN propio y exclusivo, similar al de bacterias (circular y no asociado a histonas).
- (^) Ribosomas diferentes a los del citosol. Alto contenido en proteínas y aunque actualmente se ha visto que no son similares a los de procariotas, tienen menor coeficiente de sedimentación (70S) que los citosólicos. Unidos a la cara matricial de la M.M.interna.
- Replicación, transcripción del ADN y síntesis proteica , más parecida a la de procariotas que a los de los eucariotas.
- Formación de nuevos orgánulos independiente y por bipartición.
- Existencia de una doble membrana , siendo la más externa igual a la de la membrana plasmática y la más interna similar a la de las células procariotas. Esto hecho se ha interpretado del siguiente modo: cuando la célula hospedadora fagocitó a la bacteria procariota, la rodeo con parte de su membrana plasmática que constituyó desde ese momento la membrana externa del nuevo orgánulo. La membrana interna sería de origen procariota y la externa de origen eucariota.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS MITOCONDRIAS
- Observadas por Altmann en 1884
- Al MO se observan con tinciones especiales. El examen vital se realiza mediante la coloración con verde Jano, que las tiñe de color azul-verdoso. Esta coloración, es específica de las mitocondrias, está basada en la reducción del verde Jano en el citoplasma con lo que se vuelve incoloro, en tanto que en las mitocondrias gracias a la existencia de enzimas oxidantes, se mantienen en su forma oxidada, y por consiguiente coloreada. También se tiñen con fuschina ácida, hematoxilina férrica y hoy día con técnicas inmunohistoquímicas.
- La vida media de la mitocondria es de 10 horas.
- Forma variada : bastón, filamentosa, forma de maza. Dicho polimorfismo se ve en cortes gruesos (ME de alto voltaje) o reconstrucciones 3D
- Se pensó que eran estructuras vivas que parasitaban la célula. Estudios in vivo ponen de manifiesto que son estructuras dinámicas: se mueven, se fusionan, se separan, se dividen, cambian de volumen.
- Osmóticamente activas , o sea que se hinchan en un medio hipotónico y se encogen en un medio hipertónico.
- (^) Tamaño. - El tamaño de las mitocondrias es variable. Generalmente, la longitud oscila entre 1-7m mientras que el de diámetro es de aproximadamente 0,5m. No obstante, dependiendo del estado funcional de la célula, se pueden encontrar mitocondrias con diámetro tan pequeño como 0,2m y tan grande como 2m. La importancia del momento funcional de la célula sobre el tamaño de las mitocondrias queda reflejada en el hecho de que en la presencia de ATP estas se contraen y disminuyen enormemente su volumen.
as y hongos, las células de la glándula suprarrenal y en general las de los tejidos excretores de hormonas esteroideas poseen exclusivamente mitocondrias con crestas tubulares.
COMPOSICIÓN QUÍMICA
- Estudios “in situ”
■ La tinción de las mitocondrias en las células vivas con verde Jano demuestran que poseen actividad oxidativa; en efecto esta actividad mantiene al reactivo en forma oxidada, de color verde, mientras que el resto de la célula es reducido en un compuesto incoloro.
■ Mediante microespectrofotometría, cuando las mitocondrias se reúnen o fusionan dando masas de tamaño relativamente grande (el caso de espermatozoides vivos de ciertas especies, el caracol por ejemplo), se observa bandas de absorción características de ciertos citocromos pertenecientes a la cadena de transporte electrónico (CTE).
■ Los métodos citoquímicos permiten revelar a escala ultraestructural las actividades de la citocromo-oxidasa y succinato deshidrogenasa.
- Análisis de fracciones Una vez obtenida la fracción mitocondrial se somete ésta al fraccionamiento para obtener sus subfraciones:
■ Membrana mitocondrial externa
■ Espacio intermembrana,
■ Membrana mitocondrial interna
■ Contenido de la matriz.
-Esta separación se realiza mediante el uso de la digitonina que separa ambas membranas y el contenido del espacio intermembrana.
-Centrifugaciones sucesivas para separar fracciónes y tratamiento con detergentes (lubrol) para romper los mitoplastos (membrana interna con matríz).
ADN mitocondrial
■ Es un ADN circular con dos cadenas polinucleótidicas cuyas bases son complementarias;
■ Es un ADN de pequeño tamaño puesto que la longitud de la molécula que se encierra sobre sí misma posee alrededor de 30μm. En los animales el ADNmt mide 5 μm, en los microorganismos y plantas superiores es de 3 a 5 veces más largo (Tetrahymena, 17μm; Neurospora, 20 μm: lo que corresponde a pesos moleculares comprendidos entre 10 y 50 millones.
■ El ADNmt y el ADN nuclear extraídos de las mismas células se diferencian por su composición en bases, su densidad y no se hibridan.
■ El ADN mitocondrial suele tener unos 16500 pares de bases con unos 37 genes que codifican para 13 proteínas componentes de la cadena respiratoria, 2 ARNr y ARNt suficientes para la síntesis de proteínas.
■ La cantidad de ADNmt contenida en una célula representa una proporción más o menos importante del ADN total de la célula: menos del 1 % en las células somáticas animales, 15 % en las levaduras, 28 % en los trypanosomas.
Ribosomas mitocondriales Los ribosomas mitocondriales o mitorribosomas son diferentes de los del citoplasma no sólo por su constante de sedimentación y la de sus subunidades, grande y pequeña que los componen sino también por el peso molecular de sus ARN y su tamaño.
Además de su larga cadena de ARN la subunidad grande de los mitorribosomas poseen una pequeña molécula de ARN 4 S que puede ser la equivalente del ARN 5 S de los otros ribosomas
Los mitorribosomas se distinguen igualmente de los ribosomas de los procariotas y eucariotas por poseer una proporción más alta de proteínas. Contrariamente a lo que se pensaba inicialmente, los mitorribosomas no son de tipo bacteriano a pesar de que su funcionalidad sea inhibida por el cloranfenicol; por otra parte, sus subunidades no se hibridan con las de los ribosomas de colibacilo cosa que ocurre entre las subunidades de bacterias de especies diferentes.
Digamos finalmente que cuando sintetizan cadenas polipeptídicas, los ribosomas mitocondriales están unidos a la cara matricial de la membrana interna.
FUNCIONES DE LAS
MITOCONDRIAS
PIRUVATO DESHIDROGENASA
(complejo multienzimático): Esta enzima convierte el Piruvato (procedente de la glucosa o aminoácidos) en Acetil- CoA liberando CO2 como subproducto. Produce una descarboxilación oxidativa del piruvato. Este complejo contiene múltiples copias de 3 enzimas, 5 coenzimas y 2 proteínas reguladoras. Cada Acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs uniendose con un compuesto de 4C, el ácido oxalacético dando una molécula de 6C denominada ácido cítrico.
oxidasa. Cada uno de ellos tiene grupos químicos que permiten el paso de protones a su través movidos por el transporte de electrones.
El proceso de transferencia de electrones es como en las pilas eléctricas, donde los electrones pasan de un material cargado de electrones y con poca afinidad a otro que tiene una mayor afinidad (más electropositivo). Ese salto desprende energía que se utiliza para transportar protones en contra de su gradiente de concentración.
- Translocación simultánea de protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana.
Durante el transporte de electrones se pierde energía que se utiliza para bombear protones (H+) desde la matriz al espacio intermembrana en contra de gradiente. Al final existe una mayor concentración de protones en el espacio intermembrana.
Fosforilación oxidativa (FO): la energía potencial almacenada en el gradiente de protones se acopla a la síntesis de ATP en la membrana mitocondrial interna.
Acoplamiento quimíosmótico La energía potencial almacenada en este gradiente H+ es aprovechada por un complejo proteínico de la membrana mitocondrial interna (ATP sintetasa) que
acopla el flujo, energéticamente favorable, de los protones (del espacio intermembrana a la matriz mitocondrial) a la síntesis de ATP.
El gradiente de protones tiene dos componentes, un gradiente de voltaje (carga) y otro de pH (hidrógenos).
COMPLEJO ATPsintetasa
El estudio de las membranas mitocondriales con tinción negativa (después de aislar y romper las mitocondrias) confirma esta diferencia estructural entre las dos membranas. La membrana interna presenta una asimetría muy clara: su cara matricial contiene esferas de 90 Ǻ de diámetro que están cada una unida a la membrana por un pedúnculo cilíndrico de 45 Ǻ de alto y 30 Ǻ de diámetro. Estas esferas se encuentran en nº de 2000 a 4000 por μ2 de superficie de membrana interna. Observada en las mismas condiciones la membrana externa es lisa y no posee esferas.
ESTRUCTURA DEL COMPLEJO ATPsintetasa
-Una cabeza F1 esférica (de casi 90 A de diámetro).Posee tres sitios catalíticos para la síntesis de ATP, uno en cada subunidad β.
-Una porción basal F0 incrustada en la membrana interna.
-Las dos porciones se conectan mediante un tallo central y uno periférico.
- la subunidad d se extiende desde la punta exterior de la cabeza de F1 por el tallo central y hace contacto con la porción basal F0.
-Una mitocondria típica del hígado de un mamífero tiene apenas 15. copias de la sintasa de ATP.
3.INTERCAMBIO DE SUSTANCIAS CON EL CITOPLASMA (electrones, moléculas e iones)
Ello implica que los únicos cambios que haya podido haber en el ADN mitocondrial se deben exclusivamente a mutaciones a lo largo de multitud de generaciones. Esto permite un seguimiento de la línea materna evolutiva, para desarrollar árboles filogenéticos. En nuestro caso se ha llegado al origen de la especie humana: EVA MITOCONDRIAL (ancestro común con origen africano)
-Recientemente se han relacionado a las mitocondrias con la apoptosis, el cáncer, el envejecimiento, o con enfermedades como el Parkinson o la diabetes.
ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS
Por bipartición, creación de nuevo material. Esta bipartición podrá ser por segmentación (estrechamiento) o por partición (tabique proveniente de una cresta)
Las mitocondrias no se hacen de novo: siempre provienen de la división de mitocondrias ya existentes y esta división no necesariamente está en fase con la división celular. Se replica independientemente de cuándo lo hace el núcleo celular aunque precisa del concurso de algunos genes nucleares para poderse dividir totalmente.
Antes de la división celular, debe dividirse el ADN mitocondrial, de modo que las células hijas posean una cantidad de mitocondrias equivalente a la que poseía la célula madre.
Filogenético:
TEORÍA DEL ENDOSIMBIONTE (completar con la información dada al inicio del tema)
Esta teoría se apoya en algunos hechos que podemos resumirlos en:
- El ADNmit. Es semejante al de las bacterias
- Los ribosomas mitoconndriales diferentes a los de células eucariotas, con cierto parecido a los de procariotas.
- El cloranfenicol (antibiótico) inhibe la síntesis de proteinas de las bacterias y también la síntesis proteica de las mitocondrias, pero no la del resto de proteínas del citoplasma de las células eucariotas.
- Tanto las bacterias como las mitocondrias tienen en sus membranas enzimas de la fosforilación oxidativa; hay también unidades proyectantes (ATPasa) en el mesosoma bacteriano que, de este modo, guarda cierto parecido a las crestas mitocondriales.
- Las mitocondrias de células eucariotas muy diferentes – alejadas en la evolución- (como hongos y mamíferos) contienen en sus membranas proteínas con características inmunitarias comunes.
- En su composición, la membrana mitocondrial externa es más parecida a la del RE, mientras que la interna se parece más a la membrana plasmática de las células procariotas.
