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Las mitocondrias son organelos celulares presentes en todas las células eucariotas, lo que incluye a todas las plantas, animales, hongos y protozoos, con la excepción de los arqueozoos. Fueron descritas por primera vez en 1890 por Richard Altmann bajo el nombre de “bioblastos”. El término “mitocondria” fue utilizado por primera vez por Carl Benda en 1898.

Morfológicamente, una mitocondria es un compartimento en el citoplasma celular con forma de cápsula y delimitado por una doble membrana lipídica. La membrana externa es bastante porosa y lisa, en comparación con la membrana interna que presenta numerosas ondulaciones que se conocen como crestas.

El espacio interior, llamado matiz mitocondrial, contiene principalmente enzimas y ADN, el genoma mitocondrial. Las mitocondrias son, junto al núcleo, los dos únicos organelos de las células animales que tienen ADN. Los cloroplastos de las células vegetales también tienen su propio ADN, el genoma cloroplástico.

¿Qué hace la mitocondria?

Las mitocondrias son muy bien conocidas por su función energética a través de la respiración celular. Pero además de proveer de energía a toda la célula, las mitocondrias también median en su muerte a través de la apoptosis, sintetizan proteínas, intervienen en el metabolismo de varias sustancias y parecen estar implicadas en la aparición de la reproducción sexual.

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Producción energética

La función principal de la mitocondria es la metabolización de nutrientes para generar energía en forma de moléculas de ATP (adenosín trifosfato). La glucosa es el sustrato preferente y nutriente energético universal de las células eucariotas, pero las mitocondrias también pueden obtener energía de la metabolización de ácidos grasos y aminoácidos.

Parte de la metabolización de la glucosa ocurre fuera de la mitocondria, en el citoplasma, dónde la glucosa se degrada para formar dos moléculas de piruvato. En este paso se obtienen dos moléculas de ATP y el piruvato obtenido es transportado al interior de la mitocondria.

Los ácidos grasos entran a la matriz mitocondrial mediante traslocación en un transportador de carnitinina. Para que este transporte tenga lugar, los ácidos grasos pasan primero por el retículo endoplasmático donde se unen a coenzima A y forman aciles-CoA, que son las moléculas reconocidas por el transportador de carnitina.

Con el piruvato y los aciles-CoA como sustratos, enzimas de la matriz celular obtienen acetil-CoA. El piruvato es transformado en acetil-CoA mediante una descarboxilación oxidativa catalizada por la piruvato deshidrogenasa. Por su parte, los aciles-CoA sufren β-oxidación sucesiva hasta obtener finalmente acetil-CoA. En condiciones extremas sin otros nutrientes disponibles, los aminoácidos también pueden ser transformados en acetil-CoA en la matriz mitocondrial.

Asi, todos los nutrientes acaban formando acetil-CoA, que es la sustancia de partida para el ciclo de Krebs, también conocido como ciclo de ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en las células eucariotas mientras que en las células procariotas ocurre en el citoplasma.

Esquema general del metabolismo
Esquema general del metabolismo

En el ciclo de Krebs, el acetil-CoA se degrada completamente hasta dióxido de carbono y agua y se producen dos moléculas adicionales, NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) y FADH2 (flavín adenín dinucleótido), ambas ricas en electrones.

Estas moléculas pasan a la membrana mitocondrial interna dónde ceden sus electrones al oxígeno a través de la conocida como cadena de transporte de electrones, o cadena respiratoria, y crean un gradiente electroquímico que es utilizado por la ATPSintasa para producir ATP. El rendimiento neto es de 34 moléculas de ATP.

Esquema de la cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones

La mitocondria es, por tanto, el lugar dónde tiene lugar la respiración a nivel molecular. Dónde se consume oxígeno y se produce dióxido de carbono en el proceso de combustión química de los nutrientes para obtener energía.

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Termogénesis

Relacionado con su actividad catabólica, las mitocondrias tienen un papel fundamental en la generación de calor, muy importante para mantener la temperatura en organismos de sangre caliente.

En algunas circunstancias, se puede producir un flujo de protones hacia la matriz mitocondrial sin que la energía del gradiente electroquímico se utilice para formar ATP sino para producir calor.

Este tipo de termogénesis tiene lugar principalmente en el tejido adiposo marrón. En este tejido está presente la proteína UCP1, también conocida como termogenina, que forma canales de protones en la membrana mitocondrial y favorece su paso sin contribuir a la formación de ATP.

Acción de la termogenina
Acción de la termogenina

El tejido adiposo marrón es muy frecuente en mamíferos, especialmente los que hibernan. En el ser humano está presente al nacer y se mantiene en cantidades relativamente altas en edades tempranas. Va disminuyendo con la edad y en los adultos hay poca cantidad.

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Apoptosis o muerte celular programada

La apoptosis es un proceso programado y controlado por el propio organismo que produce la muerte celular. Conceptualmente, la apoptosis es contraria a la necrosis, que es la muerte celular fuera del control del organismo, por ejemplo la debida a traumatismos, infecciones o a la acción de sustancias tóxicas.

La apoptosis es muy importante en los organismos pluricelulares. Mientras que los organismos unicelulares no tienen “necesidad de morir”, simplemente se multiplican cuándo llega el momento adecuado en el ciclo vital o mueren si les ocurre algo o las condiciones ambientales no son adecuadas, los organismos pluricelulares requieren de un mecanismo de muerte celular controlado.

La muerte controlada de células es necesaria para controlar el desarrollo del organismo y de sus tejidos. Por ejemplo, los dedos aparecen durante el desarrollo embrionario por la apoptosis de las células en las membranas intermedias.

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La muerte controlada también es necesaria para mantener la salud del individuo. Si surge una célula dañada, el organismo puede programar su muerte para evitar su propagación y posibles consecuencias para el resto del organismo. Un buen ejemplo lo tenemos en el cáncer, una enfermedad caracterizada por el crecimiento descontrolado de células que escapan al control de la apoptosis, bien por mutaciones genéticas, infecciones víricas u otros mecanismos que bloqueen la apoptosis.

La apoptosis se puede producir a través de varias vías:

  1. Vía intrínseca: es mediada por la mitocondria.
  2. Vía extrínseca: es mediada por el Factor de Necrosis Tumoral (TNF).

Ante determinadas señales intracelulares, como el aumento de calcio citoplasmático, daño en el ADN, aumento de la producción de especies reactivas en la matriz mitocondrial, y otros posibles mecanismos, la célula puede responder con la expresión del gen p53, el conocido como gen supresor de tumores.

Esto desencadena una cascada de reacciones bioquímicas que terminan en el aumento de porosidad de la membrana mitocondrial por acción de proteínas de la familia Bcl-2. Cómo consecuencia del aumento de la porosidad, la mitocondria libera al citosol proteínas activadoras de caspasas (SMAC). También se liberan moléculas de citocromo que se unen al Apaf-1 (Apoptosis protease-activating factor-1) para formar el complejo conocido como apoptosoma.

Vía intrínseca de la apoptosis
Vía intrínseca de la apoptosis

Las SMAC y los apoptosomas activan a caspasas y endonucleasas que degradan componentes vitales de la célula hasta hacerla morir. Los restos quedan divididos en fragmentos, conocidos como cuerpos apoptóticos, que son fagocitados y retirados de los tejidos por células del sistema inmunitario.

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Síntesis proteica y auto replicación

Aunque la mayoría de proteínas que se encuentran en las mitocondrias son codificadas en el ADN nuclear, las mitocondrias contienen su propio ADN con el que la mitocondria sintetiza algunas proteínas propias sin utilizar otros orgánulos celulares. Es decir, la mitocondria es capaz de transcribir la información de su ADN a moléculas de ARN y traducirlas para sintetizar proteínas sin utilizar los ribosomas.

Además, la mitocondria es capaz de replicar su ADN y de dividirse por fisión de forma independiente y semiautónoma a la división celular.

El ADN mitocondrial humano contiene información genética para 13 proteínas y su daño puede desencadenar una serie de enfermedades, agrupadas bajo el término patologías genéticas mitocondriales, con síntomas y efectos muy variados. Dentro de las patologías mitocondriales también se incluyen las originadas en el ADN nuclear pero que afectan al funcionamiento de las mitocondrias.

Se han descrito más de 150 enfermedades mitocondriales, algunos ejemplos los tenemos en la enfermedad de Luft o la neuropatía óptica hereditaria de Leber.

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Almacenamiento de iones Ca2+

El ión calcio es uno de los iones más importantes en la bioquímica celular y en la fisiología en general. Entre otras muchas funciones, el Ca2+ participa en la trasducción de señales, en la liberación de neurotransmisores en las neuronas, en la contracción muscular y es cofactor de muchas enzimas, sin olvidar que es imprescindible en la salud ósea.

En el caso del ser humano, y de los mamíferos en general, el hueso es el principal almacén de calcio del organismo. La regulación hormonal del balance entre formación y resorción ósea es el principal mecanismo para mantener los niveles de calcio sanguíneo dentro de los niveles adecuados.

A nivel celular, el calcio se encuentra principalmente en dos organelos, el retículo endoplasmático y la mitocondria. Aunque la cantidad de calcio en el retículo endoplasmático, tanto liso como rugoso, es mucho mayor que en la mitocondria, la mitocondria puede almacenar calcio de forma temporal y contribuir a la homeostasis intracelular de este elemento.

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Funciones especializadas según el tejido

Las mitocondiras de las células de algunos tejidos desarrollan funciones características de ese tejido. Un buen ejemplo lo tenemos en el ciclo de la urea que tiene lugar en los hepatocitos.

Los organismos ureotélicos degradan los aminoácidos y compuestos nitrogenados hasta urea para su excreción, a diferencia de los organismos amoniotélicos que excretan amonio. La formación de urea se realiza a través del conocido como ciclo de la urea, el cual comienza en el interior de las mitocondrias aunque termina luego en el citosol.

El ciclo de la urea es una función característica de los hepatocitos y su papel en la degradación de compuestos nitrogenados es muy importante en el metabolismo proteico y en la eliminación de muchas toxinas.

Otras funciones de las mitocondrias específicas de determinados tejidos, son:

  • participan en la síntesis de neurotransmisores (tejido nervioso y otros)
  • participan en la síntesis de estrógenos y andrógenos (testículos, ovarios, glándulas suprarrenales)
  • participan en el metabolismo del colesterol (hígado)
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Implicación en la reproducción sexual

Hoy en día está muy aceptado el origen endosimbiótico de los organelos celulares, especialmente en el caso de las mitocondrias, ya que, al contar con su propio material genético, ha sido posible estudiar su historia evolutiva de forma eficaz.

Según esta teoría, los organelos de las células eucariotas eran originariamente bacterias primitivas de vida independiente que se asociaron en endosimbiósis con una célula mayor, probablemente fagocítica. Cada uno se fue especializando en unas funciones concretas y fueron perdiendo su autonomía como individuo. Con el paso del tiempo dieron lugar a los diferentes organelos de las células eucariotas, como el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, los cloroplastos o la mitocondria.

Con la perdida de autonomía, también fueron perdiendo su propio material genético, siendo el núcleo, los cloroplastos y la mitocondria los únicos que conservan actualmente material genético. El material genético mitocondral se multiplica de forma semiautónoma al material genético del núcleo durante la división celular. Y lo más llamativo, es heredado de forma diferente entre generaciones de individuos.

En los organismos con reproducción sexual, como el ser humano, el ADN mitocondrial se duplica, no se conjuga, y las copias se transmiten a través de los gametos femeninos, es decir, sólo lo transmiten las madres. Si “la primera madre” pudiera ser identificada, todos tendríamos el material genético mitocondrial heredado de ella. Por este motivo, algunos científicos sitúan a la mitocondria, y en general la transmisión regulada de los genomas de organelos, en el origen de la reproducción sexual o como una de sus consecuencias directas.

Referencias

  1. Mitocondrias. Atlas de Histología Animal y Vegetal. Departamento de Biología Funcional y Ciencias de la Salud, Facultad de Biología, Universidad de Vigao.
  2. Cascales Angosto, M. y Doadrio Villarejo, A. L.. Lipogénesis y termogénesis: participación de la mitocondria en la obesidad. Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia.
  3. Cascales Angosto, M. (2003). Bases moleculares de la apoptosis. Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia 69.
  4. Goodenough, U. y Heitman, J. (2014). Origins of Eukaryotic Sexual Reproduction. Cold Spring Harbor Laboratory Press. doi: 10.1101/cshperspect.a016154.

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