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Mitocondria
Las mitocondrias son los organelos productores de energía dentro de la célula, pese a que forman parte de esta, pareciera que son un mundo aparte, esto debido a que ellas contienen su propio material genético, sus propios ribosomas, semejantes a los de una procariota; sus propios procesos, así como también se reproducen por bipartición, ya que la célula no puede producirlas. Estructura Las mitocondrias están rodeadas de dos membranas claramente diferentes en sus funciones y actividades enzimáticas, que separan tres espacios: el citosol, el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial. Membrana externa Es una bicapa lipídica exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipéptidos. Eso es debido a que contiene proteínas que forman poros, llamadas porinas, que permiten el paso de grandes moléculas. La membrana externa realiza relativamente pocas funciones enzimáticas o de transporte. Membrana interna La membrana interna contiene más proteínas, carece de poros y es altamente selectiva; contiene muchos complejos enzimáticos y sistemas de transporte transmembrana, que están implicados en la translocación de moléculas. Las proteínas destinadas a la membrana mitocondrial interna o matriz deben pasar por el espacio intermembranoso y acoplarse a un segundo complejo importador de proteínas que se encuentra en la membrana mitocondrial interna, el complejo TIM. La membrana mitocondrial interna contiene dos complejos TIM mayores: TIM22 y TIM23, la TIM22 se une a proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna que contiene una secuencia directriz interna y la inserta en la bicapa lipídica, mientras que
la TIM23 se une a proteínas que tienen una pre-secuencia en el amino terminal, que incluyen todas las proteínas de la matriz, reconoce y traslada a las proteínas a través de la membrana mitocondrial interna y hasta el compartimento acuoso interno; esto ocurre en sitios en los que las membranas mitocondriales externa e interna están muy próximas, de manera que la proteína importada puede cruzar ambas membranas al mismo tiempo. El movimiento hacia la matriz está impulsado por el potencial eléctrico, el cual, a través de la membrana mitocondrial interna, actúa sobre la señal directriz con carga positiva. Cuando entra a la matriz, un polipéptido interactúa con las chaperonas mitocondriales que median la entrada al compartimiento acuoso. Crestas mitocondriales En la mayoría de las eucariotas, las crestas forman tabiques aplanados perpendiculares al eje de la mitocondria, pero en algunos protistas tienen forma tubular o discoidal. Se conectan a la membrana interna en puntos concretos que facilitan el transporte de metabolitos entre los distintos compartimentos de la mitocondria. En la membrana de las crestas se llevan a cabo funciones relacionadas con el metabolismo oxidativo como la cadena respiratoria o la fosforilación oxidativa.
- La cadena de transporte de electrones, compuesta por cuatro complejos enzimáticos fijos y dos transportadores de electrones móviles:
- Un complejo enzimático, el canal de H+ ATP sintasa que cataliza la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa).
- Proteínas transportadoras que permiten el paso de iones y moléculas a través de ellas, como ácidos grasos, ácido pirúvico, ADP, ATP, O2 y agua; pueden destacarse:
las altas cantidades de energía fuera aprovechada por la célula depredadora, mientras que esta le proporcionaba protección y los recursos necesarios para poder sobrevivir. Es así como creó una relación endosimbiótica. También, se entiende que las cianobacterias toman el crédito de convertir la atmosfera reductora a una oxidante, al momento que una de estas realiza una segunda endosimbiosis con la célula depredadora. Hay que añadir, que las mitocondrias se dividen por bipartición, no esperan a la célula para poder dividirse. Cadena transportadora de electrones La cadena de transporte de electrones es una serie de proteínas y moléculas orgánicas que se encuentran en la membrana interior de la mitocondria. Los electrones pasan de un miembro de la cadena de transporte al siguiente en una serie de reacciones redox. La energía liberada en estas reacciones se captura como un gradiente de protones, el cual se utiliza a su vez para para formar ATP en un proceso llamado quimiosmosis. En conjunto, la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis constituyen la fosforilación oxidativa. Se han identificado cuatro complejos enzimáticos unidos a membrana interna mitocondrial. Tres de ellos son complejos transmembrana, que tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. Complejo I: NADH deshidrogenasa capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo, el Complejo I transloca cuatro protones a través de membrana y produce un gradiente de protones. Complejo II: Succinato deshidrogenasa, es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Antes de que este complejo actúe, el FADH2 se forma durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo del ácido cítrico. A continuación, los electrones son transferidos por medio de una serie de centros
FeS hacia Q. EL glicerol-3-fosfato y el acetil-CoA también transfieren electrones a Q mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas. Complejo III: Complejo citocromo bc1; obtiene dos electrones desde QH2 y los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca cuatro protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol. Complejo IV: citocromo c oxidasa; capta cuatro electrones de las cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo, se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además "desaparecen" de la matriz 2 protones que forman parte del H2O. Complejo V: La ATP sintasa actúa como un canal de iones que devuelve los protones a la matriz mitocondrial. Durante esta vuelta, la energía libre de Gibbs producida durante la generación de las formas oxidadas de los transportadores de electrones es liberada. Biogénesis mitocondrial La biogénesis es el proceso por el cual se obtienen más mitocondrias. Es activada durante diversas fases del estrés celular, como el ejercicio aerobio. Importación de proteínas: Las proteínas mitocondriales codificadas a partir del genoma nuclear deben ser dirigidas y transportadas adecuadamente a la mitocondria. Las proteínas entran en la mitocondria mediante una translocasa en la membrana mitocondrial externa (TOM). Fusión y fisión: La fisión es el evento de una sola entidad que se separa, mientras que la fusión es el evento de dos o más entidades que se unen para formar un todo. Los procesos de fisión y fusión se oponen entre sí y permiten que la red mitocondrial se remodele constantemente. Por lo tanto, lograr un equilibrio entre estos mecanismos
Entonces, en el complejo I, NAD reducido le cede electrones (seguidos de 4 protones de hidrogeno atraídos por la carga negativa) a la flavoproteína, seguidamente, esta proteína le cede estos electrones al complejo hierro azufre y pasan a la coenzimaQ ubiquinona, en el complejo II, subiendo los protones de la matriz, al espacio intermembranoso. Además, con la presencia del FADH 2 , se transportan a partir de este complejo 6 protones, y se producen 2 protones de hidrogeno. Luego, los electrones se abren paso al complejo III, uniéndose al citocromo b, luego al citocromo c1 y después al complejo hierro azufre, otra vez, repitiendo el proceso de los protones de hidrogeno al espacio intermembranoso. Los electrones siguen su camino con el citocromo c, que los lleva al complejo IV, llegando al citocromo a1, seguido del citocromo a3, donde otros dos protones de hidrogeno son llevados al espacio intermembrana. Los electrones son tomados por el complejo cobre, devolviéndolos a la matriz, siendo aceptados por el oxígeno, que con los protones de hidrógeno se produce agua. Finalmente, 10 protones de hidrogeno (por el NADH reducido), vuelven a pasar a la matriz de manera violenta gracias a la ATP-sintasa, provocando la fosforilación del ADP, generando ATP. Por cada 4 protones que son regresados a la matriz, se genera un ATP, así que al final de la fosforilación se generan 3 ATP. Ciclo de Krebs Se condensa el Acetil-CoA y el Oxalacetato, se hidrata, formando citrato con la enzima citrato sintasa. El citrato se deshidrata, formando el Cis-Aconitato con la enzima Aconitasa. Esta misma enzima hidrata el cis-aconitato con H2O, formando isocitrato. Entonces el isocitrato de oxida, produciendo oxalosuccinato por medio de la enzima isocitrato deshidrogenasa, produciendo los primeros 3 ATP's.
El Oxalosuccinato se descarboxila con el isocitrato deshidrogenasa, dando alfa- cetoglutarato. El Alfa-cetoglutarato pasa a Succinil-CoA por una descarboxilación oxidativa, gracias Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, produciéndose otros 3 ATP's. El Succinil-CoA se fosforila y forma el Succinato a nivel del sustrato. La enzima Succinil-CoA Tioquinasa cataliza al Succinil-CoA dando succinato, liberando un ATP. El succinato se oxida por la Succinato deshidrogenasa y pasa al fumarato produciendo más ATP’s. El Fumarato pasa al Malato por la enzima fumarasa e hidratándose. El malato se oxida con la Malato deshidrogenasa. Entonces el Malato vuelve al Oxalacetato, liberando tres ATP's. Y llega el Acetil-CoA de nuevo, repitiéndose el ciclo. Beta oxidación de ácidos grasos La beta oxidación se refiere a la remoción del carbono 3 de los ácidos grasos, es un proceso catabólico en el cual se pierden dos carbonos de la cadena que los componen en cada ciclo, hasta que el ácido graso se descompone por completo, formando moléculas de Acetil-coA, donde puede ser usado en el ciclo de Krebs o en la formación de cuerpos cetónicos, formando así, cristales. La beta oxidación está regulada por la malonil-coA, esta forma parte de la síntesis de ácidos grasos, inhibiendo a la CAT-1 (Carnitina acetil transferasa 1). Se produce principalmente en el hígado, es activada indirectamente por la epinefrina, la disminución de insulina y el cortisol, esta activa a la lipasa movilizadora que inhibe a los triglicéridos en el tejido adiposo, los degrada; produce glicerol y ácidos grasos. Durante
disociación heterolítica de enlace. En la heterólisis, se requiere energía adicional para separar el par iónico. Un disolvente ionizante ayuda a reducir esta energía. También pueden formarse por acción metabólica o por espontaneidad si los medios son aptos. En este último factor pueden verse involucradas las especies reactivas del oxígeno con dos reacciones llamadas de Haber- Weiss o de Fenton; en la primera una especia reactiva reacciona con un pro-radical, produciendo varios radicales libres; mientras que en la segunda reacciona con catalizador, generalmente metal para formar los radicales, Dentro de las especies reactivas derivadas del oxígeno, la cadena respiratoria de las mitocondrias es el principal sitio de producción de radicales libres, ubicados principalmente en órganos con alta tasa metabólica. A su vez, los radicales libres derivados del nitrógeno se producen principalmente en reacciones metabólicas en el citosol de la célula y como producto de la acción de enzimas localizadas en las membranas celulares. Por su alta reactividad química, los radicales libres (principalmente los derivados del oxígeno) son especies fuertemente oxidativas y atacan moléculas que contienen dentro de su estructura, dobles enlaces carbono-carbono o anillos de carbono. De esta forma, aminoácidos, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos que componen a las macromoléculas de la célula, pueden ser “atacadas” y alterar la función o la estructura de la célula. Por otro lado, para que exista un daño a la célula, los radicales libres deben efectuar al menos tres pasos: a) Iniciación: Consiste en la producción inicial de los radicales libres, ya sea por alteraciones internas de la célula o por elementos externos a ella; b) Propagación: Consiste en que los radicales libres producen otros radicales libres y éstos a su vez atacan otras moléculas diseminando el daño a través de la célula;
c) Terminación: Cuando las reacciones se terminan y se han producido metabolitos secundarios que la célula no puede utilizar por lo que son eliminadas de la misma.
