Mitocondria: origen, estructura, función, fusión y fisión mitocondrial PDF

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Resumen de mitocondrias que se enfoca en su origen, estructura, función, fisión y fisión mitocondrial y menciona enfermedades relacionadas con las alteraciones ...

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“MITOCONDRIAS: ORIGEN, ESTRUCTURA, FUNCIÓN, FUSIÓN Y FISIÓN MITOCONDRIAL”

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MITOCONDRIAS: ORIGEN, ESTRUCTURA, FUNCIÓN, FUSIÓN Y FISIÓN MITOCONDRIAL |

BIOLOGIA CELULAR

INDICE INDICE................................................................................................................2 1.

INTRODUCCIÓN................................................................................................3

2.

ORIGEN..............................................................................................................5

3.

MORFOLOGÍA DE LAS MITOCONDRIAS.......................................................6 3.1. ESTRUCTURA.............................................................................................8 CARACTERÍSTICA...............................................................................................8

4.

FUNCIÓN MITOCONDRIAL............................................................................11

5.

FUSIÓN Y FISIÓN MITOCONDRIAL...............................................................12

6. ENFERMEDADES RELACIONADAS CON LAS ALTERACIONES MITOCONDRIALES................................................................................................14 7.

CONCLUSIÓN..................................................................................................17

8.

BIBLIOGRAFÍA................................................................................................18

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1. INTRODUCCIÓN La mitocondria es una organela esencial para todas las células eucariotas cuya función principal es la generación de energía; son responsables de la mayor parte de la energía útil derivada de la degradación de los carbohidratos y de los ácidos grasos, que es convertida en ATP por el proceso de la fosforilación oxidativa. Su presencia en las células se conoce desde hace más de 100 años y posee características muy especiales; su nombre proviene del griego mito (hilo) y chondros (cartílago). Por su origen endosimbiótico se convierte en un componente de gran importancia en la vida de la célula. Según el tipo celular, las mitocondrias pueden tener una estructura general muy diferente: posee dos membranas lipídicas y una pequeña porción de ácido desoxirribonucleico (ADN) que codifica para 13 polipéptidos Nt) y 2 ribosomales (ARNr). Gran parte de las proteínas mitocondriales son codificadas por el genoma nuclear y sintetizadas en el citoplasma, las cuales son importadas después al interior de la organela por medio de un complejo mecanismo molecular. Se cree que las mitocondrias han surgido a partir de la incorporación de organismos unicelulares dentro de otros organismos del mismo tipo hace millones de años, generando una relación de endosimbiosis que a través del proceso evolutivo se ha constituido indispensable para la supervivencia de ambos microorganismos, especialmente en el metabolismo energético, que hoy se evidencia en las células eucariotas. La aparición de la proteómica permitió investigar las proteínas mitocondriales de una manera más amplia y eficaz. Los resultados de estos estudios proporcionaron una mejor comprensión de la patogénesis y brindaron la posibilidad de determinar más fácilmente los objetivos terapéuticos para el tratamiento de enfermedades mitocondriales. Además, la utilización de biomarcadores proteómicos fue útil para el diagnóstico, tratamiento y pronóstico de enfermedades donde las mitocondrias están implicadas.

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Las mitocondrias desempeñan diferentes funciones, una de las fundamentales es la respiración celular, pues mediante esta se obtiene energía metabólicamente utilizable por la célula, en ella tienen lugar algunas vías metabólicas como la cetogénesis, cetolisis, entre otras; también interviene en la remoción de Ca2+ del citosol, en la termogénesis y control de la apoptosis, son las principales generadores de especies reactivas del oxígeno en la célula y pueden provocar la muerte celular por necrosis en condiciones de estrés oxidativo. 5-7 Una de las particularidades de estos organelos es la de poseer un sistema genético propio con toda la maquinaria necesaria para su expresión, es decir, para replicar, transcribir y traducir la información genética que contiene.

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2. ORIGEN 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 los 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 años. 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.

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3. MORFOLOGÍA DE LAS MITOCONDRIAS 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.

Las mitocondrias son lo bastante grandes para verse con el microscopio óptico. La cantidad, la forma y la estructura interna de las mitocondrias con frecuencia son características de los tipos celulares específicos. Cuando se hallan presentes en mucha cantidad las mitocondrias contribuyen a la acidofilia del citoplasma por la gran abundancia de 58 membrana que poseen. Las mitocondrias pueden teñirse específicamente por medio de procedimientos histoquímicos que detectan algunas de sus enzimas constitutivas, como las que intervienen en la síntesis de ATP y en el transporte de electrones. Según el tipo celular, las mitocondrias pueden tener una estructura general muy diferente. En un extremo del espectro, las

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mitocondrias pueden verse como organelos individuales con forma arriñonada con longitud de 1 a 4 μm. En el otro extremo del espectro, se observan como una red tubular interconectada muy ramificada. Todas las mitocondrias, poseen dos membranas. La membrana mitocondrial interna rodea un espacio llamado matriz. La membrana mitocondrial externa está en contacto estrecho con el citoplasma. El espacio que hay entre las dos membranas se llama espacio intermembrana. Los componentes estructurales de las mitocondrias tienen características específicas relacionadas con su función.

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1.1.

ESTRUCTURA CARACTERÍSTICA

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 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 (betaoxidación).

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

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Membrana interna

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 mono nucleótido (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. 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).

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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.

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2. FUNCIÓN MITOCONDRIAL I.

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).

ll. 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.

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3. FUSIÓN Y FISIÓN MITOCONDRIAL El entendimiento de la fisión y la fusión mitocondriales ha mejorado en años recientes con el desarrollo de los ensayos in vitro para su estudio y la identificación de proteínas necesarias para ambos procesos. Es probable que el equilibrio entre la fusión y la fisión sea un factor determinante de la cantidad, longitud y grado de interconexión de las mitocondrias. Cuando la fusión se vuelve más frecuente que la fisión, las mitocondrias tienden a volverse más alargadas e interconectadas, mientras que el predominio de la fisión conduce a la formación de mitocondrias más numerosas, pequeñas y distintivas. Varias enfermedades neurológicas hereditarias se deben a mutaciones en los genes que codifican los componentes de la maquinaria de fusión mitocondrial. A diferencia de otros orgánulos de la célula, las mitocondrias no pueden ser generadas de nuevo, sino que proliferan por el crecimiento y la división de los orgánulos preexistentes. Debido a ello, los procesos de fusión y fisión de las mitocondrias deben estar estrechamente controlados para procurar un equilibrio correcto y éste es requerido para el mantenimiento de la morfología mitocondrial o para desplazarlo y adaptarlo a las condiciones fisiológicas cambiantes. Durante el proceso de fusión entre mitocondrias se permite el intercambio de contenidos entre una y otra. De este modo, si una mitocondria ha sufrido mutaciones en su material genético o ha acumulado demasiados radicales libres de oxígeno (uno de los principales causantes del envejecimiento celular), al fusionarse con otra se pueden intentar paliar los problemas. Otro ejemplo del porqué de la fusión es el incremento del potencial de membrana mitocondrial, lo que requiere la fusión con otra para poder disipar esta energía.

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La transferencia de electrones a lo largo de la cadena transportadora o respiratoria genera energía y es utilizada para bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal. Este proceso genera un gradiente electroquímico de protones (potencial de membrana) que permite generar ATP a la mitocondrial, la principal molécula de transferencia de energía. De forma antagónica, encontramos que la fisión es un proceso igual de importante que la fusión. En él se observa que dos mitocondrias se dividen y el proceso no necesariamente ocurre por el eje central del orgánulo. La separación permite a la célula distribuir y reorganizar su compleja red de mitocondrias para adaptarla a las necesidades que van variando. Cuando la célula se divide y da lugar a dos células hijas, es importante que ambas terminen con, más o menos, el mismo número de mitocondrias. Para agilizar el proceso, los orgánulos se fisionan dando lugar a mitocondrias más pequeñas que son más fácilmente repartidas. Por otro lado, cuando una fusión que pretendía corregir algún problema no ha funcionado bien, es necesario eliminar a esa mitocondria. dañada. Para llevarlo a cabo, la mitocondria es fisionada en fragmentos más pequeños y eliminados seguidamente por un proceso llamado mitofagocitosis. También es destacado el papel de la fisión en distribuir estos orgánulos por todo el interior de la célula evitando su aglomeración y dirigiéndolas a zonas donde se requiera más energía. Una mitocondria tubular larga es más difícil de transportar por el esqueleto de la célula. Por este motivo se procede con su fragmentación momentánea para mejorar su traslado. Todos estos fenómenos de fusión y fisión demuestran que la dinámica mitocondrial juega un papel central en el control de la viabilidad celular y cualquier error derivado de su mal funcionamiento, puede acarrear serios problemas que se traducen en graves patologías.

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4. ENFERMEDADES RELACIONADAS CON LAS ALTERACIONES MITOCONDRIALES Si bien el rol de la disfunción mitocondrial hace parte de la patogénesis de la sepsis, las complejas interacciones biológicas que se suscitan a partir de la actividad

intracelular

mitocondrial

son

corresponsables

de

mecanismos

fisiopatológicos de múltiples enfermedades. La teoría del envejecimiento a partir de los radicales libres, propuesta en 1956, postula que la producción intracelular de especies reactivas de oxígeno (ROS) es el principal determinante de la duración de la vida. Dichos radicales libres (ROS) son especies químicas con electrones desapareados que son producidos principalmente por las mitocondrias en el proceso que involucra la cadena de transporte de electrones, durante la fosforilación oxidativa y generación de ATP, por medio de la reducción del O2 hasta la molécula de H2 O21-23. Estas especies interactúan con varios componentes mitocondriales, causando mutaciones en el ADNmt, daño en las enzimas de la respiración oxidativa y en la membrana de la mitocondria. Lo anterior conduce a su vez a un aumento en la producción de ROS y conlleva a un daño y disfunción mitocondrial, lo que produce una mayor disminución de la función de las células implicadas y desencadena finalmente los procesos de enfermedad, envejecimiento y muerte. Diversos estudios han demostrado que los ROS mitocondriales están implicados en el envejecimiento cardiovascular, debido principalmente a una disminución de la función de los complejos mitocondriales I y IV, que aumenta la producción de radicales libres y afecta especialmente al corazón, el cual es un órgano dinámico que necesita de un constante suministro energético.

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