LAS MITOCONDRIAS DE BIOLOGIA, Apuntes de Biología Celular

¡Descarga LAS MITOCONDRIAS DE BIOLOGIA y más Apuntes en PDF de Biología Celular solo en Docsity! LAS MITOCONDRIAS. INTRODUCCIÓN Las mitocondrias son organelos que están separados del resto del citoplasma por dos membranas. Las mitocondrias se conocen desde hace más de un siglo, y en su historia se encuentra el trabajo de cientos de investigadores de distintas disciplinas e intereses. Por muchos años los citólogos las estudiaron exhaustivamente, descubrieron cómo teñirlas y fueron de los primeros organelos con los que probaron las bondades de la microscopia electrónica. En la biología molecular, el conocimiento de que algunas proteínas mitocondriales se forman con la información conjunta del DNA nuclear y mitocondrial inició una serie inmensa de investigaciones sobre cómo la información genética se coordina entre distintos compartimentos intracelulares. AISLAMIENTO Y ESTRUCTURA DE LAS MITOCONDRIAS Probablemente, el primero en describir las mitocondrias fue R. Altman en 1890; las identificó como unas estructuras intracelulares a las que llamó mioblastos. Cuatro años después, Benda denominó a esas estructuras mitocondrias (del griego mitos, hilo y condros, gránulo). En 1900, L. Michaelis encontró que el verde de Jano B teñía a las mitocondrias y, durante varios años, esta tinción se utilizó en su identificación. También se conjeturó sobre cuál podría ser la función de las mitocondrias, y algunos investigadores propusieron que podrían estar relacionadas con la respiración. Sin embargo, las pruebas definitivas sobre la función mitocondrial no se obtuvieron sino hasta que se lograron separar del resto de los componentes intracelulares. La metodología 1 para separar las mitocondrias se conoce como centrifugación diferencial o fraccionamiento subcelular. Esta técnica se utiliza rutinariamente en prácticamente todos los laboratorios del mundo, pero sus inicios se remontan a los trabajos de Albert Claude, en la década de 1940. Claude estableció las bases para la obtención de organelos intracelulares, morfológica y bioquímicamente intactos. En un primer paso, el tejido o las células se rompen en condiciones en que no se dañen las estructuras intracelulares; en el vocabulario bioquímico, decimos que se homogenizan las células o el tejido. A continuación, el homogenado se somete a una fuerza centrífuga relativamente baja; el sedimento contiene núcleos y tejido o células que no se desintegraron. El sobrenadante que contiene la mayoría de las mitocondrias se centrifuga a entre 7,000 y 8,000 g. Las mitocondrias son el componente principal del sedimento que se obtiene de esta última centrifugación. Claude también fue el primero en estudiar la morfología de las mitocondrias bajo el microscopio electrónico. Las mitocondrias son organelos que están separados del resto del citoplasma por dos membranas. La que está en contacto con el citoplasma se conoce como membrana externa. Ésta rodea a otra membrana, llamada membrana interna. La parte interna de esta última membrana limita el espacio interno de las mitocondrias que se denomina matriz mitocondrial (Ilustración 1). La membrana interna presenta invaginaciones hacia la matriz mitocondrial que se conocen como crestas mitocondriales. Dada la presencia de dos membranas, en las mitocondrias hay tres espacios. El que está en el exterior de las mitocondrias; en la célula, es el citoplasma celular y constituye el espacio extramitocondrial, mientras que en las mitocondrias aisladas en el laboratorio, este espacio lo forma la solución que el investigador desee. Entre la membrana interna y la externa existe el espacio intermembranal, y finalmente, el tercer espacio lo forma la matriz mitocondrial. Por regla general, todas las células de organismos eucariontes tienen mitocondrias, pero hay excepciones. Nuestros glóbulos rojos 2 El viaje de los electrones a través de la cadena respiratoria es la fuente de energía para la síntesis de ATP. Algunos de los componentes de la cadena respiratoria tienen un color característico, Keilin los denominó citocromos. Para su funcionamiento, son necesarias otras enzimas y coenzimas. Las enzimas son de NADH deshidrogenasa y la succinato deshidrogenasa. En el viaje de los electrones por la cadena respiratoria también participa la coenzima Q; este es el único componente de la cadena respiratoria que no es una proteína. Ilustración SEQ Ilustración \* ARABIC 3. Esquema de los componentes enzimáticos de la cadena respiratoria y su disposición en la membrana interna de las mitocondrias La coenzima Q es una molécula relativamente pequeña, soluble en solventes orgánicos, que tiene la capacidad de reducirse y oxidarse. Su papel en las mitocondrias es el de aceptar 5 electrones de las deshidrogenas del NAD y la succinato deshidrogenasa, para luego cederlos al citocromo be1 (complejo III en la ilustración 2). Los organismos aeróbicos siempre estamos consumiendo oxigeno; esto quiere decir que constantemente están llegando electrones al oxígeno, y que, por lo tanto, tiene que existir una fuente de electrones. En la mayoría de los organismos, algunos de los componentes del ciclo de los ácidos tricarboxilicos son los donadores de electrones más importantes. Estas moléculas se oxidan por deshidrogenasa que son NAD dependiente. Los electrones los recibe el NAD que se reduce a NADH, el cual, por medio de una NADH deshidrogenasa, los transfiere a la coenzima Q. El succinato, otro sustrato del ciclo de los ácidos tricarboxilicos, transfiere sus electrones a la deshidrogenasa succínica, que a su vez los pasa a la coenzima Q. La coenzima Q, a su vez, cede electrones al citocromo be1. Del citocromo be1 los electrones pasan al citocromo c y después a la citocromo oxidasa; este último citocromo también se conoce como citocromo a+ay o como complejo IV. Finalmente, la citocromo oxidasa transfiere sus electrones al oxígeno y da lugar a la formación de una molécula de agua al combinar con H+ En resumen, la cadena respiratoria es el camino que los electrones siguen desde su origen en los sustratos oxidables del ciclo de los ácidos tricarboxilicos hasta el oxígeno. Cambios de energía durante el flujo de electrones por la cadena respiratoria Una cosa es conocer la secuencia de las reacciones que ocurren en la cadena respiratoria, y otro saber cómo esta serie de reacciones proporciona la energía necesaria para sintetizar ATP. Aquí es necesario recordar que cuando una reacción sucede es porque existe un cambio favorable de energía. Es decir, las reacciones son posibles únicamente cuando existe liberación de energía. El transporte de electrones desde un sustrato hasta el oxígeno es un 6 proceso favorable, y por tanto en la transferencia de electrones existe liberación de energía. Se ha determinado cuanta energía se libera en la transferencia de electrones en cada una de las reacciones de la cadena respiratoria. Cuando los electrones pasan por la cadena respiratoria, la energía se libera por pasos. Debido a esto, el paso de los electrones por la cadena respiratoria se ha comparado a una cascada en la que los electrones caen a distintos niveles y en cada uno de ellos se libera cierta cantidad de energía. La figura 10-4 muestra los cambios de energía que ocurren cuando los electrones viajan por la cadena respiratoria. Los cambios de energía que ocurren en la cadena respiratoria adquieren importancia particular si se recuerda que la síntesis de ATP requiere un aporte energético de cuando menos 7,500 calorías. En la figura 10-4 se puede observar que en sólo tres pasos se liberan más de 7,500 calorías: entre el NADH y la coenzima Q, en el paso del citocromo bc1 al c, y en la reducción de oxígeno por la citocromo oxidasa. Esto implica que en esos tres sitios se libera la cantidad de energía que se necesita para sintetizar ATP. 7 Al principio de la década de 1960, P. Mitchell (Mitchell, 1961) propuso que la síntesis de ATP se llevaba a cabo a través de un mecanismo que se conoce como hipótesis quimiosmótica. En sus inicios, la propuesta se recibió con escepticismo, pero en la medida en que se acumularon datos experimentales, la hipótesis llegó a convertirse en el dogma central de la bioenergética. Es de importancia señalar que los principios de la hipótesis se aplican tanto a la transducción de energía en mitocondrias, como a aquella que ocurre en organismos fotosintéticos y en la membrana plasmática de bacterias, estructuras celulares en las que también hay cadenas de transporte de electrones y ATP sintasas. Uno de los postulados fundamentales de la hipótesis quimiosmótica es que, para que exista síntesis de ATP, es necesario que el proceso ocurra en una membrana impermeable a H. Desde que se postuló, la hipótesis quimiosmótica ha estado sujeta a discusión. Sin embargo, muchos fueron los experimentos que dieron la pauta para que la hipótesis se aceptara por casi la totalidad de los investigadores. Vale la pena describir uno de estos experimentos. Jaggendorf y Uribe incubaron cloroplastos con ADP y fosfato en condiciones en que no había transporte de electrones; después, cambiaron bruscamente el pH del medio en que estaban los cloroplastos con el objeto de establecer una diferencia entre el pH del exterior y el interior de los cloroplastos, y finalmente determinaron si el cambio de pH se acompañaba de formación de ATP. Los investigadores encontraron que, efectivamente, el cambio de pH produjo formación de ATP. Estos experimentos demostraron que en ausencia de transporte de electrones es posible formar ATP, siempre y cuando se establezca una diferencia de pH (∆pH) entre el exterior y el interior de los cloroplastos. Posteriormente se hicieron experimentos similares en mitocondrias, y se observó que la formación de una distribución asimétrica de K+ (un gradiente eléctrico o ∆ψ) también da lugar a la formación de ATP. Estos datos fueron fundamentales, ya que demostraron que tanto un gradiente eléctrico como un gradiente de pH pueden impulsar la síntesis de ATP. Por regla general, el ∆ψ en conjunto con el ∆pH dan lugar a la formación de una fuerza protomotriz con la energía necesaria para la formación de ATP. La ATP sintasa 10 Los experimentos que se han mencionado, más otros muchos que se hicieron en membranas transductoras de energía de distintas fuentes llevaron a la conclusión de que el gradiente electroquímico de H+ o fuerza protomotriz es el producto del transporte de electrones que impulsa la síntesis de ATP. Simultáneamente a estos trabajos, también se exploró cómo es la ATP sintasa, la enzima que transforma la energía de la fuerza protomotriz en la energía química de ATP. La enzima se ha estudiado exhaustivamente tanto desde el punto de vista estructural como funcional. Bajo el microscopio electrónico y utilizando técnicas de tinción negativa, una parte de la enzima se observa como pequeñas esferas unidas a la parte interna de la membrana mitocondrial. Desde el punto de vista molecular, la ATP sintasa es una de la enzimas más complejas que se conocen; está formada por más de 20 subunidades. Aún no se conoce con toda precisión cuál es el arreglo molecular preciso de la ATP sintasa, pero se puede considerar que la enzima consta de dos porciones; una que está sumergida dentro de la membrana, y otra que protruye de la membrana interna; se les ha llamado F0 y F1, respectivamente. Esta última porción es la que se visualiza bajo el microscopio electrónico como pequeñas esferas que protruyen de la membrana interna. Pullman y cols., 1960 hicieron uno de los experimentos que fueron fundamentales para entender cómo se lleva a cabo la fosforilación oxidativa en relación a la estructura y función de la ATP sintasa. Los investigadores inicialmente separaron y purificaron la porción F1 de partículas submitocondriales. También prepararon membranas de partículas submitocondriales que tenían F0, pero no F1. A continuación, examinaron las propiedades de la F1 y de las membranas sin F1. Encontraron que las membranas podían llevar a cabo transporte de electrones y consumir oxígeno; sin embargo, la preparación era incapaz de formar ATP. También observaron que la porción F1 tenía la capacidad de hidrolizar ATP, pero no la de sintetizar ATP. Estos hallazgos fueron de interés, pero la observación más importante fue que al reconstituir la porción F1 a las membranas deficientes de F1, las membranas adquirieron nuevamente la capacidad de llevar a cabo fosforilación oxidativa. Con esos experimentos se llegó a la conclusión de que la fosforilación oxidativa es una función integrada por varios componentes que son aislables y reconstituibles. Los componentes de la ATP sintasa se han aislado y reconstituido y ahora se sabe cuáles son las subunidades que la forman y cuál es su función. 11 TRANSPORTE La membrana externa de las mitocondrias es una membrana libremente permeable, mientras que su membrana interna presenta un alto grado de impermeabilidad. La síntesis de ATP se lleva a cabo por la porción F1 de la ATP sintasa a partir de ADP y fosfato, esto ocurre en el interior de las mitocondrias. Debido a que el ATP se requiere principalmente en el exterior de las mitocondrias, este tiene que salir y el ADP y el fosfato tienen que penetrar en el interior de las mitocondrias. Para que estos movimientos ocurran los acarreadores o también denominados sistemas de transporte, se encargan de acarrear dichos metabolitos además de sustratos oxidables a través de la membrana (Jiménes García, 2003). La translocasa de adenín nucleótidos es uno de los acarreadores más estudiados de la membrana interna de las mitocondrias. Esta es una proteína que trabaja como un antiportador cuya función es la de intercambiar adenín nucleótidos de exterior por los del interior. Además, en condiciones fisiológicas esta se encarga de catalizar el movimiento de ADP citoplasmático al interior de las mitocondrias, y de expulsar el ATP de la matriz mitocondrial al citoplasma (Jiménes García, 2003). Por otro lado, el acarreador de fosfatos, le permite al ATP sintasa proporcionar el fosfato que necesita para la formación de ATP. Además, es un antiportador que permite el intercambio de fosfato por OH-. Asimismo, los acarreadores para sustratos oxidables funcionan como antiportadores tanto con un OH- del interior, como con un ácido dicarboxílico (Jiménes García, 2003). Por último, el transporte de Ca2+ se da por medio de un uniportador por lo que este pasa del exterior al interior sin intercambiar ninguna molécula ni ion. La función principal del acarreador de Ca2+ consiste en regular los niveles intramitrocondriales del mismo, regular la 12 Bibliografía Abrahams, J.P.; Leslie, A.G.W.; Lutter, R. y Walker, J.E., Nature, 370: 621-628, 1994. Gómez-Puyou, A.; Ayala, G.; Muller, V. y Tuena de Gómez-Puyou. “Regulation of the Synthesis and hidrolysis of ATP by mitochondrial ATPase. Role of Mg2+”, J. Biol. Chem., 22: 13673-13679, 1983. González-Halphen, D. y Vázquez Acevedo, M., “Las enfermedades mitocondriales”, Mensaje Bioquímico XIX, 61-93, 1995. Kalchar, H.M., “Biological Phosphorylations”, Development of Concepts, Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey, 1969. Li, H.; Kumar Colluri, S.; Gu, J.; Dawson, M.I.; Cao, X.; Hobbs, P.D.; Lin, B.; Chen, G.; Lu, J.; Lin, F., Xie, Z.; Fontana, J.A.; Reed, J.C. y Zhang, X., “Cytochrome C release and apoptosis induced by mitochondrial targeting of nuclear orphan receptor TR3”, Science, 289: 1159-1164, 2000. 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