Las mitocondrias son pequeñas fábricas de energía (ATP y otras) y están a miles dentro de cada una de nuestras células

Es necesario un pequeño desvío;  no se puede seguir explicando Biología Molecular sin conocer con bastante detalle el papel que cumplen en nuestro organismo estos pequeños organelos -llamémolos así porque son a modo de fábricas químicas perfectamente organizadas dentro nuestro, tienen su propio DNA para al menos algunas de sus proteínas y funciones, se reproducen y viajan en el óvulo a la siguiente generación  [o sea que las mitocondrias se heredan DE LA MADRE, pero no del padre; el espermatozoide tiene mitocondrias pero no entran en el óvulo ] ; las mitocondrias fueron hace miles de millones de años bacterias libres capturadas por las primeras células.

¿Han oído hablar de la Nanotecnología?  Máquinas moleculares que prometen realizar milagros de la ciencia y la tecnología a nivel de los átomos y moléculas.  Dentro de las mitocondrias hay máquinas moleculares.

¡Y funcionan mediante corrientes eléctricas de millones de voltios !

Estructura de las mitocondrias.

De longitud hasta 7 μm  y 0,5 -1  μm de diámetro su descubrimiento y caracterización, y el descubrimiento de sus funciones forman apasionantes capítulos de la biología y de ninguna manera está terminado de conocer sus misterios.

Imaginemos un globo de goma largo, hinchado conteniendo una gelatina ácida, y dentro una bolsa de plástico arrugada llena de una gelatina alcalina, eso da una idea de su forma y es una primera aproximación a su manera de funcionar. Dos bolsas una ácida y una alcalina, una dentro de otra, ya se empieza a parecer a una pila alcalina.

 

Dos paredes, membranas que a su vez son dobles capas de fosfolípidos y están trufadas de proteínas. Pero estas dos membranas son muy diferentes una de otra.

*  La membrana externa está perforada por Porinas, que son proteínas como un tubito que permiten y controlan la entrada y salida de moléculas -esto es una fábrica, dijimos, ¡y en toda fábrica hay controles en la puertas!  Aquí un esquema de una porina.

* El Espacio Intermembranoso, que es de pH ácido porque desde la bolsa membranosa interior se bombean protones continuamente a este espacio entre las dos membranas. Esta diferencia de concentración de protones a través de la Membrana Interna crea un campo eléctrico, una diferencia de potencial eléctrico que es de 150 milivoltios, que no parece mucho, pero como opera a través de 5 millonésimas de milímetro,  la fuerza del campo eléctrico es 30 millones de voltios por metro ¡Como un relámpago en el cielo! (de Nick Lane, New Scientist )

Esta fuerza química o diferencia de potencial entre la bolsa interna y el espacio intermembranoso es la que se usa para sintetizar ATP, por la asombrosa ATP Sintetasa, ya lo habíamos nombrado antes, ahora en mucho más detalle.

Esta es la Hipótesis Quimio-osmótica que le ganó a Peter Mitchell, de Cambridge University,  el Premio Nobel  -acotemos que la Universidad de Cambridge, incluso un laboratorio de la Universidad de Cambridge, ha ganado más Premios Nobel que la República de Francia entera.

* La Membrana Interna, cuajada de proteínas de transporte y de nanomáquinas químicas, está plegada para ofrecer más superficie. En estas crestas se localiza la milagrosa nanomáquina ATP sintetasa, y también el complejo de la Cadena de Transporte de electrones -que con ese nombre ya nos dan una idea de nanomáquinas que transportan corrientes eléctricas, cargas negativas y positivas.

* La Matriz interna, una especie de gel de pH básico, donde están las enzimas y compuestos del Ciclo de Krebs, otras muchas enzimas que intervienen en otros procesos celulares, el DNA mitocondrial (varias copias circulares), y ribosomas y RNA para sintetizar sus proteínas mitocondriales.

Ciclo de Krebs  +  Cadena Respiratoria.  Lo enfatizo así porque funcionan coordinados.  También se le llama al Ciclo de Krebs, Ciclo del Ácido Cítrico porque este ácido, que tiene 6 carbonos, se forma por reacción del Oxaloacetato que tiene 4 carbonos y el grupo Acetilo que son dos carbonos que llega como Acetyl-Coenzima A.  Al girar este ciclo se va oxidando el cítrico, se forma poder reductor (NADPH2, FADH2), se forma GTP (equivalente al ATP pero su importancia propia tiene), se van arrancando CO2 (de a uno) hasta eliminarse dos CO2 y vuelve a quedar Oxalacetato !  Y la calesita da otra vuelta.

Pero a esta calesita entran y salen continuamente otras moléculas, con lo que el papel absolutamente central de lo que pasa dentro de la Matriz Interna queda claro; aunque al mirar este esquema (¡muy simplificado! tengan en cuenta que cada paso está catalizado por una enzima, y que esas enzimas a su vez tienen una regulación complicada !) pueda parecer que la vida es una química muy, muy complicada.

Funciones del Ciclo de Krebs o del ácido cítrico

Ya había contado en otros artículos [ Libro de los Cromosomas ·4 ] cómo se metabolizaba el alcohol, y la glucosa [ Libro de los Cromosomas ·7 ], que entraban por arriba formando acético activo (AcetilCoA)

No entramos ahora en esas vías laterales, aminoácidos, ácidos grasos, etc, porque hay que ver cómo la Cadena de Transporte de Electrones en las crestas de la mitocondria y mueve esta rueda bioquímica.

La Fosforilación Oxidativa.  El poder reductor [ NADH2, FADH2 ] generado en el Ciclo de Krebs dentro de la matriz de la mitocondria ahora debe pasar al Oxígeno, que es nuestro aceptor final de electrones formando agua -el agua es Oxígeno reducido !, o sea que ha ganado electrones. Y si Uds se asombran de que nuestra química más íntima, dentro de cada una de nuestras células, y en cada una de ellas, dentro de cada una de las miles de mitocondrias, y parezca cosa de corrientes eléctricas ¡pero sin cables de cobre! ahora verán cómo se usa para generar ATP.

Esto tiene que ocurrir en varios saltos, porque la diferencia de potencial entre el NADH2 y el Oxígeno aceptor final es demasiado alta, por eso en la cresta de la mitocondria hay dispuestos en hilera una serie de transportadores y en cada paso se expulsa desde la matriz al espacio entre las dos membranas se inyectan protones para generar un ambiente ácido. ¿Protones, electrones?  Parece química de estado sólido, ni que fuéramos transistores !!

Aquí está la cadena respiratoria, en orden en las crestas,  y al final eso que parece un generador, es realmente una nanomáquina proteica con una rueda que gira !! es la ATP Sintetasa, la que genera ATP; tiene una entrada o boca al espacio entre las membranas y otra parte de la nanomáquina abajo en la matriz, es la que fosforila, o sea, le pega otro fósforo al ADP, formando ATP.

En este otro esquema explicamos en más detalle como funciona esa Fosforilación Oxidativa

☼ En el recuadro pequeño se ve cómo se relacionan y dónde en la célula ocurren:  La Gliclólisis en el citoplasma, y la Oxidación del Piruvato, el Krebs y la Cadena Respiratoria dentro de la mitocondria, en sus compartimientos y membranas.

En el esquema mayor notamos cómo el NADH2 y FADH2 sus electrones circulan por cuatro complejos protéicos -la  coenzyma Q10  o Ubiquinona también llamada es una pequeña molécula liposoluble (algunos la consideran una vitamina)  y  Citocromo C (una proteína con algún parecido con la Hemoglobina de la sangre) que hace de conector eléctrico ¡si permiten la comparación !  Estos saltos de Electrones sirven para expulsar Protones  al espacio entre las dos membranas.  Al entrar por la ATP sintetasa se fosforila ADP + Fosfato, y se forma ATP,  Adenosintrifosfato.

Volvemos a ver la molécula de ATP, ahora el esquema químico y también representación con bolas de colores, los fosfatos bolitas azules y la parte del azúcar y la base como una bola roja grande.

ATP-Sintetasa.  (artículo en Wikipedia ←) Ya la vimos pequeñita arriba, en la cresta de la mitocondria, clavada en la membrana sacando una porción afuera, un poro para la entrada controlada de protones. Tiene 16 subunidades de proteína, y esta nanomáquina SE MUEVE, la parte superior gira como si fuera un generador. El descubrimiento -originalmente se llamaba partícula F1- y la aclaración de su función fue un gran logro de la Biología Molecular, en el laboratorio de la Universidad de Cambridge y en muchos otros.

ATP Sintetasa vista de perfil y de frente, subunidades, carga de protones

 

¡Si me toleran la comparación con un generador !  El ROTOR arriba gira, capta protones que le inyecta esa subunidad ¡que hasta parece una escobilla en un generador! y la energía de torsión transmitida la usa el ESTATOR abajo para sintetizar ATP.

Ahora imaginen miles de millones de estas nanomáquinas dentro nuestro generando energía, ATP:  Todos los días fabricamos y destruimos entre 70 y 100 KILOS de ATP.

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GIF animado, visto desde arriba.  El ADP y fosfato en rosado, el ATP en rojo, y la subunidad gama girando.

Y cómo combina con las unidades inferiores.

☼  El ATP así generado se transporta fuera de la matriz hacia el espacio intermembranoso de la mitocondira, por una ATP-ADP translocasa, y de ahí al citosol de la célula.

☼  Los genes de las subunidades de la ATP Sintetasa están todos en el cromosoma de la mitocondria.

CROMOSOMA MITOCONDRIAL

Es un cromosoma circular, en eso parecido al cromosoma de bacterias (y virus), pero está reducido a su mínima expresión.  Contiene sobre todo genes para las enzimas de la Cadena Respiratoria, y genes ribosomales para su transcripción a proteínas, y algunos otros genes.

Pero eso no quiere decir que no tenga importancia, está implicado en muchas enfermedades, por ejemplo el Parkinson;  una razón posible es que la reacción de la Cadena Respiratoria con Oxígeno puede generar peligroso Ión Superóxido, O2  que reacciona con genes y proteínas con el resultado de mutaciones. Una enzima la  superoxido dismutasa,  SOD, destruye este reactivo anión del Oxígeno .

☼  Piruvato Deshidrogenasa mitocondrial. La  enzima que hace de puente entre la glicolisis y el ciclo de Krebs, la que descarboxila el piruvato y lo activa formando Acetil Coenzima A es mitocondrial,  y sus genes están localizados en el DNA mitocondrial, pero esto no ocurre así con otras enzimas de Ciclo de Krebs.

Pyruvate dehydrogenase (lipoamide) alpha 1   PDHA1

☼  Enzimas del Ciclo de Krebs, mitocondriales, PERO sus genes están en cromosomas no en la mitocondria

Una de las cosas más notables de la bioquímica de la mitocondria es que muchas  de sus enzimas sus genes están en cromosomas nucleares.

Paso 1ºCitrato sintetasa, la primera enzima del ciclo de Krebs, la que forma citrato [6 átomos de carbono ] a partir de Oxaloacetato y Acetil Coenzima A, su gen está localizado en el brazo corto del Cromosoma 11,  p11-qter .

Paso 2º  Aconitasa, (cataliza la transformación del cítrico en isocítrico [6 átomos de carbono ] ).  Hay dos formas de esta enzima, una soluble en el citosol y otra en la mitocondria y cada una está su gen en diferentes cromosomas, la soluble del citosol en el Cromosoma 9, y la mitocondrial en el Cromosoma 22 q13.2

Paso 3º  Isocitrato Deshidrogenasa. La enzima que descarboxila  ↑ CO2  el isocítrico , y lo transforma en α-cetoglutárico [5 átomos de carbono ] (usa NADP, no NAD) también está en la célula en dos formas; una soluble sus genes en el Cromosoma 2, y la forma mitocondrial sus genes en el Cromosoma 15 q21-qter

Paso 4º   ☼ El Complejo  I, de la  α-Cetoglutarato Deshidrogenasa.   Descarboxilación oxidativa ↑ CO2  de alfa-cetoglutarato formando Succinil-Coenzima + NADH2

Paso 5º    Sucinato tiokinasa (tiene varios nombres).  Esta enzima forma Ácido Succínico a partir de la Succinil-CoA anterior, y sintetiza ATP (en realidad, GTP ) en un proceso que al no ser por la ATP sintetasa de la membrana (la que vimos en tanto detalle arriba) se llama fosforilación a nivel de substrato.

El gen de esta enzima está en el Cromosoma 13.

Paso 6º   Succinato Deshidrogenasa  (el Complejo II del esquema de la Cadena de Transporte de Electrones, arriba) convierte Succinato en Fumarato usa  ubiquinona (Q) /ubiquinol (QH2)  y FAD  →FADH2

Con sus cuatro subunidades, (A, B, C, D) las mutaciones de esta complicada enzima causan diferentes enfermedades, por ejemplo paraganglioma.  La subunidad D su gen en el cromosoma 11 y PGL2 ; la subunidad SDHB en el Cromosoma 1;  gen SDHC en Cromosoma 1.

Paso 7º   Fumarasa, hidratación del Fumarato a Malato, está en el Cromosoma 1  q42.1

Paso 8º  Y por fin el paso final del ciclo, la Malato Deshidrogenasa transforma Malato en Oxaloacetato y el ciclo puede continuar con el Oxaloacetato combinándose con la Acetil Coenzima A en el Paso 1º.

De la Malato Deshidrogenasa tenemos de nuevo dos enzimas, una soluble en el citosol, codificada en el cromosoma 2, y otra mitocondrial en el Cromosoma 7.

☼    coenzyme Q10    .

* A human pseudoautosomal gene encodes the ANT3 ADP/ATP translocase and escapes X-inactivation

La translocasa de ATP existe en varias formas, y genes, mitocondriales y en el cromosoma X, también en el Y

CONCLUSIÓN.  Hemos visto algunas de las más importantes funciones de la mitocondria, con especial referencia al ciclo de Krebs y a la fosforilación oxidativa, y varios aspectos de la coordinación biológica entre las mitocondrias y la célula y sus cromosomas, especialmente referido al hombre.

Esto no hace más que tocar la superficie del asombroso tema de la simbiosis que ocurrió en algún momento, hace miles de millones de años, cuando un organismo del cual descendemos absorbió ciertas bacterias, y de ese milagroso accidente surgió la vida de los organismos en toda su potencia, porque jamás hubieran evolucionado plantas y animales multicelulares de no ser por la simbiosis con las mitocondrias.

Para saber más

☼  Lynn Margulis

Que estableció la teoría evolutiva de los endosimbiontes

endosymbiotic theory,

PS.  Aclarando una duda existencial por adelantado.

Si alguno asombrado ante estas nanomáquinas pregunta quién fue el relojero que fabricó estos relojes, le diré que nadie, no hay relojero ni hubo nunca.  El Profesor Dawkins lo explica mejor que yo,

The Blind Watchmaker

☼PS2.  A notar no sólo lo que expuse, sino también las omisiones -en un artículo advertir qué es lo que no se ha tratado a veces es difícil

No discutí la síntesis de proteínas dentro de las mitocondrias (Transcripción a mRNA, y Traducción a proteínas) ni la duplicación del DNA en las mitocondrias. Ambos procesos tienen parecidos y diferencias con el que ocurre en el citosol.

La razón es no extenderse demasiado, y hacer un artículo concreto y centrado en un tema (que en este caso ha sido principalmente su rol energético) expuesto en algún detalle, y no hacer un artículo tan extenso y tocando tantos puntos que necesariamente será superficial, y si no lo es, tan extenso que no se puede leer razonablemente en el tiempo posible a dedicar.

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Por Armando

9 comentarios en «Libro de los Cromosomas · Mitocondrias y ADN Mitocondrial»
  1. Gracias, Raúl. Pero no me los publicaría nadie.
    En España escribir es llorar, se decía y ahora peor aún.
    Es más fácil y mejor publicar un libro en Uruguay, con 3,5 millones de habitantes, muchos son cultos y leen, que en España con 47 de millones de brutos incultos, creo que la cantidad de gente total que compra realmente libros en España no debe ser mucho mayor que el total en aquel pequeño país.

  2. Probablemente, la teoría del protohumano carroñero es verosímil.
    Una cosa, que la esperanza de vida no era mayor de 10 años, y eso hasta hace poco, incluso en el Medioevo. Algunos y algunas vivían más, esos se reproducían, y los genes sus efectos deletéreos sobre el colesterol y la atheroesclerosis aparecen cuando ya uno es viejo.
    Además caminaban kilómetros todos los días, y corrían o al menos el Homo sapiens. Eso quema muchas calorías, basta mirar a los Masai y otras tribus de por ahí, no hay un gordo entre ellos y si hay alguno es el jefe, que por supuesto no camina ni hasta la esquina, sentado en su sillica y dando órdenes a sus mujeres e hijos.

  3. Buenas Me llamo ugo Lobato, soy de Lima tengo 38 años, soy un paciente oncologico. Tuve 04 tumores benignos y uno Maligno. cancer en estadia tres, motivo por el cual recibi 35 seciones de radioteapias.Mi Doctor y cirujano oncologo me dijo que me mudara pues esta viviendo a solo 10 metros de una antena de Celular, deseo pregunarte si las ondas de las antenas de celular afectan a las celulas como es el caso de las mitocondrias y alteran nuesro ADN

  4. Es prudente que siga las recomendaciones de su médico. Los móviles tienen muy poca potencia pero las antenas y si es tan cerca, quien sabe, por las dudas, y si puede múdese

  5. Hola !
    .
    Hugo: Sería interesante saber hace cuánto tiempo está usted viviendo en cercanías de ésa antena que menciona, y cuántos de otros vecinos suyos también lo están, y si usted sabe si alguno de ellos también están afectados como usted… o no…
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    Otro asunto: No descarte posibles transformadores de alta y media tensión eléctrica en su zona de residencia, generalmente a pocos metros, que tengan fugas de aceites lubricantes, que se aprecia por derrames en las estructuras y manchónes en la base, en el suelo.
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    Otra más: Averígüe usted si hay obras, depósitos de materiales ó similares, cerca de su casa, donde puedan trabajar con materiales como asbestos y amiantos.
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    Saludos

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