Mitocondrias: Características y Estructura Celular

Características y Estructura de la Mitocondria

• Las mitocondrias se encuentran en células eucariotas aerobias.
• Son orgánulos cilíndricos de 0.5-1 μm, similares a bacterias en tamaño.
• Se desplazan asociados a microtúbulos y pueden dividirse por fisión o fusionarse.
• La cantidad de mitocondrias depende del tipo celular y son abundantes en zonas con alta demanda energética.
• Contienen enzimas para reacciones oxidativas que generan energía.
• Son esenciales para la evolución de animales pluricelulares, debido a un metabolismo aerobio más rentable enérgicamente.
• Posee un genoma propio: ADN mitocondrial (ADNmt), separado del genoma nuclear.
• Presentan herencia no mendeliana, heredándose por vía materna al contener el citoplasma del óvulo las mitocondrias, más los genomas nucleares del padre y la madre.
• En células del músculo cardíaco, están empaquetadas entre las miofibrillas adyacentes.
• Durante el desarrollo del flagelo del espermatozoide, microtúbulos condicionan la ubicación de las mitocondrias, hasta que desaparecen.

Estructura Mitocondrial

• Poseen una doble membrana.
• La membrana externa.
• La membrana interna tiene numerosos pliegues o crestas.
• Posee un espacio intermembranoso
• La matriz y la membrana interna son los compartimentos más activos, cada uno con funciones diferentes.

Funciones de la Mitocondria

• Producción de energía mediante catabolismo oxidativo en la matriz mitocondrial.
• Formación de acetil-CoA a partir de ácido pirúvico y ácidos grasos (β-oxidación).
• Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos (TCA): oxidación del acetil-CoA en la matriz mitocondrial.
• Transporte electrónico en la membrana interna, reacciones de óxido-reducción de la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
• Produce precursores metabólicos en la matriz para gluconeogénesis y síntesis de ácidos grasos, aminoácidos y proteínas.

Composición y Características de las Membranas Mitocondriales

• Membrana Externa: 40-50% lípidos (fosfolípidos, poco colesterol) y proteínas (enzimas para síntesis de lípidos, porinas que permiten permeabilidad a moléculas pequeñas, y translocador de proteínas TOM), es permeable.
• Espacio Intermembranoso: Similar al citosol, con pH menor que la matriz mitocondrial.
• Membrana Interna: 20% lípidos (cardiolipina, sin colesterol) y proteínas (complejos de la cadena transportadora de electrones, ATP sintetasa, proteínas transportadoras como carnitina y translocadores TIM), es impermeable.
• La membrana interna presenta crestas que aumentan la superficie, manteniendo un gradiente de H+ para la fosforilación oxidativa.
• Matriz Mitocondrial: Contiene ácidos nucleicos, proteínas, enzimas del ciclo de Krebs y β-oxidación, enzimas de transcripción y traducción, y metabolitos intermediarios.

Transportadores de la Membrana Interna

• Intercambiador ADP/ATP que genera energía, con entrada de Pi (fosfato inorgánico).
• Transportadores para la salida/entrada de ácidos tricarboxílicos del ciclo de Krebs y piruvato.
• Traslocador acil carnitina que permite la entrada de ácidos grasos para el catabolismo (β-oxidación).

Importación de Proteínas (TOM y TIM)

• La mayoría de las proteínas mitocondriales están codificadas por el ADN nuclear y deben ser transportadas a la mitocondria.
• Complejos traslocadores de proteínas (TOM y TIM) en las membranas mitocondriales facilitan este proceso.
• El proceso requiere una presecuencia de aminoácidos con carga positiva en el péptido.
• Requiere de chaperonas que aportan energía (ATP).
• Necesita un potencial eléctrico en la membrana interna.
• Una peptidasa señal está asociada a TIM.
• Los polipéptidos, estabilizados por Hsp70, llevan a una pre-secuencia reconocida por receptores del TOM.
• El polipéptido se inserta en el TOM, luego es transferido al TIM.
• La secuencia, sin plegar, atraviesa la membrana interna con ayuda de Hsp70.
• El potencial eléctrico (gradiente de H+) dirige la translocación.
• La presecuencia es eliminada y el polipéptido se transfiere a Hsp60, donde se pliega.

Transporte de Lípidos

• Se realiza mediante carriers de fosfolípidos desde el retículo endoplásmico (RE).
• El RE sintetiza fosfatidilserina, que se transloca a la membrana mitocondrial externa.
• El fosfatidilserina del RE forma fosfatidiletanolamina en la mitocondria
• Se sintetiza cardiolipina, un lípido inusual con cuatro cadenas de ácidos grasos.

Matriz Mitocondrial y Genoma Mitocondrial

• Contiene enzimas, iones y metabolitos.
• El genoma mitocondrial incluye ADN y ARN mitocondrial, esenciales en la transcripción y traducción.
• El genoma mitocondrial es una doble hélice de ADN circular desnudo, con copias múltiples ubicadas en nucleoides.
• Tiene una temperatura de fusión diferente a la del ADN nuclear.
• En humanos, el genoma mitocondrial tiene 16Kb y 37 genes (ARNm, ARNt, ARNr).
• De las 84 proteínas necesarias para la respiración celular, 13 son sintetizadas por el ADNmt y el resto por el ADN nuclear.
• Las 71 proteínas del ADN nuclear (fabricadas en el citosol) se importan mediante los complejos traslocadores mitocondriales TOM y TIM.

Enfermedades Mitocondriales

• Las mutaciones en el ADNmt alteran la cadena transportadora electrónica, afectando el gradiente electroquímico y los procesos dependientes (síntesis de ATP).
• Pueden ser heredadas o espontáneas.
• Causan disminución en la producción de energía y aumento de subproductos tóxicos (radicales libres).
• Afectan principalmente tejidos dependientes del metabolismo mitocondrial aerobio, como el SNC, músculo cardíaco y esquelético, riñones y tejidos productores de hormonas.
• Dado que las mitocondrias de un cigoto fertilizado proceden del oocito, las mutaciones se transmiten por vía materna.
• Una madre con una mutación en su ADNmt puede transmitir mitocondrias enfermas a sus hijos, pero solo las hijas transmitirán la enfermedad a sus descendientes.
• El porcentaje de mitocondrias afectadas y, por tanto, de ADNmt normal y mutante, varía entre individuos, lo que resulta en una expresión muy variable de la enfermedad.

Ejemplos de Enfermedades Mitocondriales

• MELAS: Miopatía, encefalopatía, acidosis láctica, episodios convulsivos.
• MERF: epilepsia y fibras rojas rasgadas.
• LHON: Neuropatía óptica hereditaria de Leber.
• NARP: Neuropatía, ataxia, debilidad muscular y retinitis pigmentosa.
• CPEO: Oftalmoplegia externa progresiva crónica.
• Kearns-Sayre: Sordera, déficit visual, afectación cardiaca y cerebral, ataxia, miopatía esquelética, trastornos intestinales, déficit hormonal y diabetes.