Las mitocondrias

La principal función de las mitocondrias es la síntesis de ATP a expensas de los metabolitos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos). Para esto se realiza la oxidación de metabolitos (ciclo de Krebs, beta-oxidación de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones.

También sirve de almacén de sustancias como iones, agua y algunas partículas como restos de virus y proteínas.

Al conjunto de las mitocondrias de la célula se le denomina condrioma celular. Fueron descubiertas por ALTMANN.

A. MORFOLOGÍA.

Son estructuras muy plásticas que se deforman, se dividen y fusionan. Se observan «in vitro» con el microscopio de campo oscuro y con el de contraste de fases. «in vivo» se ve mal por su bajo índice de refracción.

Tienen forma cilíndrica o filamentosa. Su diámetro es de una micra y su longitud de hasta 7 micras. Por cinematografía de aceleración se ha visto que poseen movilidad asociada a los microtúbulos del citoesqueleto.

Su distribución es uniforme por toda la célula, excepto en:

– Conos y bastones: en el segmento intermedio.

– Células musculares: alrededor de las miofibrillas.

– Células de los túbulos contorneados dístales del riñón: polo basal.

Su número varía según el tipo de célula y su estado funcional:

– Hepatocitos: 1000 a 1600/célula.

– Ovocitos: 300000/célula.

B. ULTRAESTRUCTURA.

Al microscopio electrónico muestra dos membranas y dos compartimentos.

ESTRUCTURA	CARACTERÍSTICAS
Membrana externa	Es una bicapa lipídica exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipéptidos; debido a que contiene proteínas que forman poros llamados porinas o VDAC (canal aniónico dependiente de voltaje), que permiten el paso de moléculas de hasta 10 kDa y un diámetro aproximado de 2 nm.Contiene las enzimas involucradas en la síntesis mitocondrial de lípidos y las que transforman los sustratos lipídicos en formas que posteriormente serán metabolizadas en la matriz.
Espacio intermembrana o cámara externa	Está compuesto de un líquido similar al hialoplasma.Contiene una alta concentración de protones como resultado del bombeo de los mismos por los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria.Su grosor depende la actividad de la mitocondria. A mayor actividad, menor grosor.Contiene varios enzimas que utilizan el ATP de la matriz para fosforilar otros nucleótidos. Intervienen en la transferencia del enlace de alta energía del ATP. Ej: adenilato kinasa o la creatina quinasa.ATP + AMP————–> 2 ADP. El ADP si que puede pasar la membrana interna pero no el AMP.También se localiza la carnitina, una molécula implicada en el transporte de ácidos grasos desde el citosol hasta la matriz mitocondrial, donde serán oxidados (beta-oxidación).
Membrana interna	Presenta asimetría muy clara hacia la cara matricial. Esta plegada en numerosas crestas que aumentan considerablemente su superficie total. Contienen proteínas con tres tipos de funciones:- La cadena de transporte de electrones que catalizan reacciones de oxidación de la cadena respiratoria. Está compuesta por cuatro complejos enzimáticos fijos y dos transportadores de electrones móviles:Complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido (FMN).Complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q o ubiquinona.Complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c.Complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua. – Partículas F1: Complejo enzimático que forma el canal de H+ ATP sintasa que cataliza la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa). Están en un en un número de 2000 a 4000 por micra al cuadrado. – Es impermeable pero hay alta proporción de transportadores proteicos que regulan el paso de metabolitos hacia la matriz y hacia el exterior. Estas proteínas transportadoras permiten el paso de iones y moléculas a su través, como ácidos grasos, ácido pirúvico, ADP, ATP, O2 y agua. Ej: Nucleótido de adenina translocasa, fosfato translocasa. Las CRESTAS son formaciones que aparecen en la membrana mitocondrial interna y orientadas hacia la matriz. Pueden disponerse de forma longitudinal o transversal al eje de la célula. Su morfología varía dependiendo de la célula. En células productoras de esteroides están apiladas y con forma tubular. En astrocitos tienen forma triangular. En la mayoría de las células son redondeadas. El número varía según la capacidad oxidativa de la célula. En hepatocitos y células germinales su número es bajo pero la matriz está muy desarrollada. En células musculares hay alto número de crestas y la matriz está poco desarrollada (necesitan un gran aporte energético).
Matriz o mitosol	Constituida por sustancia fundamental finamente granulada.Contienen los orgánulos que tendría una célula procariota de vida libre: iones, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario muy parecido al de las bacterias, ribosomas tipo 55S (70S en vegetales) o mitorribosomas que realizan la síntesis de algunas proteínas mitocondriales, ARN mitocondrial.Posee numerosos enzimas que participan en diversas rutas metabólicas clave para la vida, como el ciclo de Krebs y la beta-oxidación de los ácidos grasos; también se oxidan los aminoácidos y se localizan algunas reacciones de la síntesis de urea y grupos hemo.

C. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS MEMBRANAS MITOCONDRIALES.

La composición química de las membranas mitocondriales se puede estudiar tras una centrifugación diferencial. El homogeneizado es centrifugado repetidas veces a altas velocidades, sedimentándolo progresivamente en pequeñas partículas.

– El precipitado contiene la membrana mitocondrial interna y la matriz. Se trata con lubrol que rompe la membrana interna y después se centrífuga, separando la membrana interna de la matriz.

– El sobrenadante contiene la membrana mitocondrial externa y el espacio intermembrana. Se centrífuga y se separa la membrana externa del fluido de la cámara externa.

La composición química de las membranas mitocondriales es la siguiente:

1. MEMBRANA EXTERNA:

– 40% de lípidos: fosfolípidos muy insaturados y colesterol como en el REL.

– 60% de proteínas: transferasa, quinasas y proteínas de transporte que forman canales acuosos (PORINAS) que recuerda a la membrana externa de las bacterias Gram (-). También hay tioquinasa, citocromo b5 y su reductasa.

2. MEMBRANA INTERNA:

– 20% de lípidos: no hay colesterol y si hay cardiolipinas (son las más abundantes como en las bacterias) que colabora en que la membrana sea impermeable a los iones..

– 80% de proteínas.

Las proteínas se pueden clasificar en tres grupos:

GRUPO	ENZIMAS
Constituyentes de la cadena respiratoria y enzimas asociados	– NADH-DH: contiene NADH y FMN que transportan protones y electrones.- CoQ reductasa (FAD) .- Citocromos b, c, c1, a, a3.- Proteínas con centros ferrosulfuroso.
ATPasa mitocondrial	Sobre las crestas mitocondriales y mirando hacia la matriz de encuentra el complejo ATPsintetasa cuya función es el nexo entre la fosforilación y la oxidación. Está compuesto por 15 cadenas polipeptídicas:- Partícula F1: es una cabeza esférica dirigida hacia la matriz.- Partícula F0: es un pedúnculo sobre el que se sitúa la F1. Forma una base hidrófoba embutida en la membrana mitocondrial interna.
Transportadores específicos	Contribuyen a mantener una permeabilidad altamente selectiva. Ej: carnitina-acil-transferasa I y II.

D. FUNCIONES.

1. OXIDACIÓN RESPIRATORIA encaminada a la obtención de energía.

a) Matriz:

– Oxidación del pirúvico y ácidos grasos hasta acetil-CoA, CO₂, NADH.

– Degradación completa del acetil CoA a anhídrido carbónico y protones.

b) Membrana mitocondrial interna:

– Transporte de electrones por la cadena respiratoria hasta el oxígeno.

– Fosforilación oxidativa aprovechando el gradiente electroquímico (hipótesis quimiósmótica).

Los postulados de la hipótesis quimiosmótica son los siguientes:

a) La cadena respiratoria de la membrana mitocondrial interna es translocadora de protones; cuando se transportan electrones a lo largo de la cadena, bombea protones hacia fuera del espacio de la matriz.

b) El complejo mitocondrial ATPsintetasa también transloca protones a través de la membrana interna: al ser reversible, puede utilizar energía de la hidrólisis del ATP para bombear protones a través de la membrana, pero sí existe un gradiente electroquímico de protones suficiente, los protones fluyen en dirección opuesta a través del complejo, impulsando la síntesis de ATP.

c) La membrana mitocondrial interna es impermeable a protones, hidroxilos y, en general, a cationes y aniones.

d) La membrana mitocondrial interna está equipada con una serie de proteínas translocadoras que median la entrada y salida de metabolitos esenciales y de determinados iones.

En bacterias anaerobias, la ATPasa funciona al revés y saca protones que se aprovechan para transportar moléculas al interior de la célula (cotransporte acoplado a gradiente de protones).

2. CONCENTRACIÓN DE SUSTANCIAS EN LA MATRIZ.

– Proteínas que forman cristales, como los ovocitos.

– Lípidos.

– Metales como hierro y plata.

– Calcio y fosfato (gránulos electrodensos).

– Colorantes y enzimas.

El calcio se concentra en forma de gránulos de 50 nm. Su concentración dentro de la matriz va acompañada con la salida de protones con el fin de conservar el equilibrio eléctrico. El fosfato penetra junto con el calcio.

F. VIDA SEMIAUTÓNOMA.

1. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

– La mitocondria contiene ADN y ribosomas; es capaz de sintetizar proteínas.

– Puede dividirse y transmitir información genética de una generación a otra. Se heredan de forma no mendeliana debido a la segregación mitótica durante el crecimiento vegetativo. En los mamíferos, la herencia es uniparenteral porque las mitocondrias solo las aporta el óvulo materno.

– Su ADN es circular covalentemente cerrado y el % GC es mayor que en el ADN nuclear, por lo que tiene mayor temperatura de fusión.

– Sólo sintetiza en 5-10% de las proteínas totales de la mitocondrias y suelen ser proteínas insolubles de la membrana interna. Son proteínas muy hidrófobas y son sintetizadas por lo ribosomas que se sitúan sobre la membrana interna. Sintetiza parte de los enzimas y transportadores, como los citocromos b y c1, citocromo-c-oxidasa, ATPasa y el transportador ATP/ADP.

– La mitocondria y el núcleo actúan de forma coordinada.

– La biosíntesis mitocondrial es inhibida por el cloranfenicol y no lo es por la ciclohexamida.

2. SÍNTESIS INTRAMITOCONDRIAL.

– Replicación semiconservativa del ADN.

– Transcripción de ARN distinto a eucariotas: ARNr 21S y 15S, RNAt (30).

– Transformación de bases del RNA y DNA.

– Síntesis proteica: apocitocromo b (componente del complejo citocromo b1/c), subunidades 6, 8 y 9 de la ATPasa, 9 subunidades de la Cytc-oxidasa.

– En la membrana interna hay síntesis de cardiolipina y grupo HEMO de los citocromos, síntesis de porfirina. En la membrana externa Cyt b5 y una desaturasa que elimina los dobles enlaces de los ácidos grasos.

3. SÍNTESIS EXTRAMITOCONDRIAL.

– Enzimas de replicación y transcripción.

– aa-ARNt-transferasa.

– Proteínas de los ribosomas y factores de síntesis.

– Proteínas de membranas:

– Membrana interna: Cyt c1, Cyt c oxidasa, transportador de ADP/ATP.

– Membrana externa: Cyt c, Cyt b2, Cyt c peroxidasa.

– Enzimas de la cámara interna y externa: F1-ATPasa, CPS, superóxido dismutasa, RNA poli, proteínas ribosómicas y las enzimas del ciclo de Krebs.

– Enzimas de la síntesis de lípidos.

4. REGULACIÓN DE LA BIOSÍNTESIS.

– ADN nuclear y mitocondrial por medio de represores.

– Presión de oxígeno.

– Concentración de metabolitos en el medio.

Los fosfolípidos y colesterol de las dos membranas se forman en el REL (excepto la cardiolipina). Todo esto es degradado en los lisosomas.

5. BIOGÉNESIS.

Se originan por división y crecimiento de otras mitocondrias preexistentes. La división se hace por dos mecanismos:

– Partición: crece una cresta y se funde con la membrana interna, separando dos compartimentos que después se separan.

– Segmentación: alargamiento progresivo de la mitocondria, seguido de la formación de una constricción en la zona central, que se acaba separando dos mitades iguales.

G. ORIGEN: la teoría endosimbionte

Las mitocondrias tienen muchas semejanzas con las bacterias:

· La forma y tamaño

· La presencia de ADN bicatenario y circular en la matriz mitocondrial

· Su reproducción por fisión binaria,

· El proceso respiratorio que llevan a cabo, el cual es muy semejante al que se observa en bacterias aerobias.

Estas pruebas llevaron a Lynn Margulis a proponer en 1976 la teoría endosimbionte, que permite explicar el origen de los orgánulos de doble membrana: mitocondrias y cloroplastos, así como explicar el hecho de que no participen en el tráfico vesicular como el resto de orgánulos de membrana simple.

Según esta teoría, el origen de las mitocondrias seria a partir de la endosimbiosis de bacterias aerobias con antiguos procariotas o eucariotas anaerobios. Esto habría ocurrido hace aproximadamente 1500-700 millones de anos. Los nutrientes abastecidos por las células anaerobias y consumidas por la bacteria, fueron presumiblemente rembolsados con creces a la primera, debido a la alta eficiencia metabólica oxidativa de la segunda. Este mutuo beneficio hizo que la célula invasora llegara a formar parte integral del organismo mayor, acabando por convertirse en parte de ella: la mitocondria.

A lo largo de la historia común, la mayor parte de los genes mitocondriales han sido transferidos al núcleo, de tal manera que la mitocondria no es viable fuera de la célula huésped y esta no puede serlo sin las mitocondrias.

H. ADN mitocondrial

El ADN mitocondrial (mtDNA) es una molécula circular de 16.569 pares de bases. El número de moléculas de ADNmt por célula varía entre unos pocos cientos en los espermatozoides a unas 200.000 copias en el oocito, pero en la mayor parte de los tejidos el rango está comprendido entre unas 1.000 y 10.000 copias por célula, con 2 – 10 moléculas de ADN por mitocondria.

Su genoma codifica solamente proteínas de la membrana interna y algunos elementos necesarios para su traducción RNAs (RNAr y RNAt). En total, son 37 genes:

· 2 rRNA (12S, 16S)

· 22 tRNA

· 13 genes estructurales: 7 subunidades (Complejo I), 1 cyt b (Complejo III), 3 subunidades (Complejo IV), 2 de ATPasa (Complejo V)

Los otros cientos de proteínas necesarias para su funcionamiento son codificadas por el ADN nuclear. Es decir, la mayoría de las proteínas de las mitocondrias proceden de genes localizados en el ADN del núcleo celular y que son sintetizadas por ribosomas libres del citosol y luego importadas por el orgánulo.

El genoma está formado por dos cadenas la cadena pesada (H) y la ligera (L) sin proteínas asociadas. Las dos cadenas complementarias tienen una proporción de C y G muy diferente, por lo que tienen un peso molecular muy distinto, existe una hebra rica en bases púricas que es la cadena pesada o H (heavy) y la cadena complementaria rica en pririmidinas conocida como cadena ligera o L (light). La cadena que se representa por convenio y sobre la que se realiza la numeración del genoma mitocondrial es la cadena L de 1 a 16569.

El ADN mitocondrial presenta una gran economía y su información está muy compactada ya que sus genes se encuentran situados uno a continuación del otro, sin apenas intrones ni regiones no codificantes entre los genes. Los 37 genes que contiene están dentro de una gran región codificante que representa el 90% del total de la molécula. El ADN mitocondrial sólo posee un 3% de secuencias no codificantes.

Veintiocho de los genes mitocondriales (2 ARNr, 14 ARNt y 12 polipéptidos) se encuentran en una de cadena H, mientras que los 9 genes restantes (1 polipéptido y 8 ARNt) están en la cadena complementaria (cadena L).

La única zona del ADNmt que no codifica ningún gen es la región del bucle de desplazamiento (bucle-D), localizada alrededor del origen de replicación de la cadena H. Esta región contiene también los promotores de la transcripción y los elementos reguladores de la expresión génica.

La región control es muy polimórfica, presenta dos regiones hipervariables conocidas como la región hipervariable I (HVI) y la región hipervariable II (HVII). La región control se extiende desde la posición 16024 hasta la 16569 y desde la 1 hasta la 576.

Otra de las peculiaridades de la organización genética del ADNmt es que los genes de los ARNt se distribuyen entre los genes de los ARNr y los codificantes de proteínas; esta disposición tiene consecuencias muy importantes para el procesamiento del ARN.

Para la replicación del ADNmt hacen falta dos orígenes diferentes, uno para cada cadena (OH y OL). Ambos orígenes de replicación están muy separados, haciendo que el proceso sea unidireccional y asimétrico. La síntesis del ADN se inicia en OH y es realizada por una polimerasa específica de la mitocondria, la DNApol, que alarga un ARN iniciador fruto del procesamiento de un transcrito primario que se sintetiza a partir del promotor L. La replicación continúa de modo unidireccional hasta alcanzar OL, momento en el cual comienza la síntesis de la segunda cadena del ADN, alargando también un pequeño iniciador de ARN.

Otra característica especial del ADN mitocondrial es que el código genético esta alterado respecto al universal ya que 4 de los 64 codones presentan un significado diferente al que posee para la síntesis citoplasmática . El hecho de que el código genético mitocondrial es casi el mismo en todos los organismos proporciona fuertes evidencias de que todas las células eucariotas evolucionaron a partir de un antepasado común.

I. ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

Las enfermedades mitocondriales son desordenes resultantes de la deficiencia de una o más proteínas localizadas en las mitocondrias e involucradas en el metabolismo.

Su origen puede ser debido tanto a las mutaciones del ADN mitocondrial, como del ADN nuclear, o a la comunicación entre los dos genomas.

Se han descrito más de 150 enfermedades mitocondriales que suelen afectar a los tejidos con mayor dependencia del metabolismo mitocondrial, tales como las células del cerebro, corazón, hígado, músculos esqueléticos, riñones y del sistema endocrino y respiratorio. Ej: la enfermedad de Luft, la neuropatía óptica hereditaria de Leber, síndrome MELAS, el síndrome MERRF, el síndrome NARP.

También están relacionadas con las enfermedades degenerativas relacionadas con el envejecimiento, como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y las cardiopatías.

Todas las enfermedades de herencia materna son enfermedades mitocondriales.

J. GENÉTICA Y MODELO DE HERENCIA

El DNAmt no sigue la genética mendeliana en tres aspectos importantes: herencia maternal, heteroplasmia (dentro de una misma célula, las mutaciones patológicas están presentes en algunas moléculas de ADN pero no en otras) y segregación mitótica (la distribución aleatoria de las organelas en la división celular hace que varíe la proporción de ADN con mutaciones que recibe cada célula hija).

A) Heteroplasmia

El número de mitocondrias por célula varía según el tipo de célula, pudiendo llegar a existir más 500 mitocondrias por célula. Además, cada una de ellas puede tener entre 2 y 10 copias de ADN mitocondrial.

El DNAmt tiene una elevada tasa de mutación, encontrando que dentro de una misma célula pueden existir distintas poblaciones de mitocondrias:

• Homoplásmia: individuo que posee todas las mitocondrias con el mismo genoma.
• Heteroplásmia: individuo con una mezcla de poblaciones distintas de mitocondrias. Esto puede acabar en sustituciones de poblaciones por fenómenos de deriva o selección.

B) Segregación mitótica

Las mitocondrias no se sintetizan nunca de novo, sino que siempre surgen por crecimiento y división de otras ya existentes. Cada orgánulo ha de duplicar su masa y luego dividirse por la mitad un promedio de una vez por cada generación celular, y para ello han de importar lípidos, nucleótidos y proteínas desde el citosol. La división de la mitocondria esta altamente influenciada por eventos de transducción de señales extramitocondriales y procedentes del citosol. En la mayoría de las células, las mitocondrias se dividen durante la interfase y replican su ADN durante todo el ciclo celular, es decir, que presentan un desfase con respecto a estos mismos procesos en las células. Durante la división celular, las mitocondrias se distribuyen de forma aleatoria entre las células hijas. Si en una célula que se va a dividir existen moléculas de ADNmt diferentes, la proporción de moléculas “mutantes” que pasaran a las células hijas puede variar mucho, y en consecuencia, también el fenotipo.

C) Herencia materna

El ovocito destruye todas las mitocondrias paternas y las mitocondrias maternas no destruidas se multiplican. Así, el ADN mitocondrial es heredado de la madre.

Las mujeres siempre pasaran a la descendencia una mutación en el mtDNA, mientras que los varones nunca lo harán. En consecuencia, un hijo comparte la misma secuencia de mtDNA con sus hermanos o hermanas, y madre, pero no con su padre.

D) Efecto umbral

La mayoría de los individuos «normales» tiene células homoplásmicas, es decir, células que contienen mtDNA normal solamente. Los individuos con enfermedad mitocondrial de herencia materna, y sus parientes de parte materna, usualmente tienen células heteroplásmicas, es decir, que parte del mtDNA es normal y parte contiene la mutación.

Las proporciones de heteroplasmia difieren, a menudo en forma drástica, entre los miembros familiares de parte materna. Existe un umbral de la proporción de mtDNA mutante a mtDNA normal, que varía en los diferentes tejidos y en las diferentes mutaciones, luego del cual la célula se convierte en deficiente.

La severidad de la enfermedad depende de la:

· Naturaleza mutación

· Grado heteroplasmia

· Requerimiento energético

· Capacidad de compensación

Los síntomas, gravedad, edad de inicio, etc., de una enfermedad mitocondrial pueden variar ampliamente dentro de una familia. De modo que, a pesar de que una madre con una mutación en el mtDNA pasará la mutación a toda su descendencia, no todos los hijos mostrarán los síntomas necesariamente. Y en el caso de que un hijo muestre los síntomas, la enfermedad puede ser muy diferente respecto de sus hermanos dependiendo del porcentaje de mtDNA mutante en cada región del cuerpo. Lo cual constituye una explicación de porque las enfermedades mitocondriales con herencia materna son muy amplias en sus efectos clínicos.

La edad de inicio de las enfermedades mitocondriales de herencia materna se da usualmente a mayor edad, incluyendo desde niños de 1 a 2 años hasta adultos.

K. ESTUDIO DE LA VARIABILIDAD MITOCONDRIAL EN POBLACIONES HUMANAS

Las características únicas del ADN mitocondrial humano: elevado número de copias, herencia materna, ausencia de recombinación y alta tasa de mutación, han hecho que esta molécula sea la elegida en muchos estudios relacionados con la historia y evolución de las poblaciones humanas.

Las variaciones en los genes correspondientes al mtDNA correlacionan con la latitud y el clima en las poblaciones indígenas, sugiriendo que estas diferencias son adaptativas. Los distintos genotipos difieren en la eficiencia para producción de ATP, liberación de calor y ROS; variando el rango entre alta eficiencia en la producción de ATP o alta en la producción de calor y ROS.

Tanto los estudios antropológicos como los bioquímicos coinciden en proponer que el origen del hombre tuvo lugar en África, hace unos 150-200.000 años, desde donde la población humana pudo migrar en diferentes épocas y en distintas direcciones. A lo largo de miles de años fueron acumulándose polimorfismos del mtDNA que resultaron en combinaciones específicas de cada continente lo que dio lugar a los haplogrupos mitocondriales. En Europa, Norte de África y América del Norte los haplogrupos caucásicos descritos son: H, V, KU, T, J, X, W, I que proceden de diferentes clados (HV,JT, KU, IWX), derivados por descenso directo de un ancestro materno que se engloba dentro del supraclado denominado N.