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• Benjamin Castillo Barahona

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Transformación y Almacenamiento de Energía. Las células eucariontes revelan una serie de características funcionales comunes a todas ellas, como por ejemplo, capacidad de multiplicación, de movimiento, irritabilidad, conducción de impulsos y secreción. Todas las células presentan esas actividades con una mayor o menor intensidad, según sus características especiales. Las células musculares, por ejemplo, tienen una capacidad de contracción altamente desarrollada, pero una capacidad secretora débil o ausente. Mientras que las células glandulares presentan una intensa actividad secretora, pero casi ninguna actividad motora. Sin embargo, todas las células necesitan de energía para realizar sus actividades básicas y especializadas. La energía utilizada por las células eucariontes, tanto animales como vegetales, proviene de la ruptura gradual de enlaces covalentes de moléculas de compuestos orgánicos ricos en energía. En la célula vegetal, esos compuestos son sintetizados con la energía resultante de la transformación de la energía solar en energía química durante el proceso de fotosíntesis (pho-ton, luz y síntesis, síntesis). En la fotosíntesis, gracias al pigmento clorofila, se procesa la acumulación de energía solar bajo la forma de enlaces químicos en los hidratos de carbono, principalmente hexosas, que se polimerizan para formar almidón. Las hexosas originadas en la fotosíntesis son fuente de energía y también de carbono, en condiciones de ser utilizado para la síntesis de diversas macromoléculas orgánicas. Las células, sin embargo, no usan directamente la energía liberada de los hidratos de carbono y grasas, sino que utilizan un compuesto intermediario, el adenosin-trifosfato (ATP), generalmente producido gracias a la energía contenida en las moléculas de glucosa y ácidos grasos. Los ácidos grasos son, desde un punto de vista cuantitativo, una fuente energética mucho más importante que los carbohidratos, ya que, peso a peso rinden mucho más energía que el glucógeno de los tejidos. Mientras que una molécula-gramo de glucosa genera 38 moléculas-gramos de ATP, uno de ácido palmítico genera 126 moléculas-gramo de ATP. Un hombre adulto tiene energía depositada en glucógeno suficiente para apenas un día, pero suficiente grasa para un mes. El ATP, cuya fórmula está representada en la Fig. 4.1., tiene 2 enlaces ricos en energía (representadas por el signo ~); cuando uno de ellos se rompe, libera aproximadamente 10 kilocalorías por molécula-gramo. Generalmente, sólo un enlace es roto, según la ecuación ATP -» ADP + Pi + energía (Pi significa fosfato inorgánico, y ADP adenosin-difosfato). El citoplasma contiene energía acumulada en los depósitos de moléculas de triacilglicéridos (grasas neutras), de moléculas de glucógeno y también, bajo la forma de compuestos intermediarios (metabolitos) ricos en energía, de los cuales el principal es el ATP.

Los triacilglicéridos y el glucógeno representan un acumulo de energía bajo una forma estable y concentrada, pero más difícilmente accesible, mientras que el ATP es un compuesto inestable, que no contiene energía tan concentrada, pero más fácilmente utilizable porque la enzima que rompe la molécula de ATP (ATPasa) es muy abundante en la célula. La descomposición de la glucosa en agua y gas carbónico, que ocurre durante la respiración celular, rinde 690 kcal/ mol, mientras que la hidrólisis de los dos enlaces ricos en energía del ATP rinde solamente 20 kcal/mol. Los hidratos de carbono y grasas pueden ser comparados a

dinero en el banco, y ATP, dinero en el bolsillo. De hecho, el dinero depositado en el banco es estable (teóricamente, no sujeto a robo o pérdidas) y puede ser .acumulado en grandes sumas. Mientras que el dinero en el bolsillo (ATP) es inestable, sólo se puede guardar en cantidades.limitadas, pero es fácilmente accesible cuando es necesario. La combustión de la glucosa libera una cantidad fija de energía y consume oxígeno. El resultado de esa operación, que puede ser realizada en un aparato llamado calorímetro, produce calor (690 kcal/mol), agua y gas carbónico, según la ecuación: C6H1:O6+ 6O, = 6CO: + 6H,O + calor (energía) Esta combustión de glucosa es, sin embargo, un proceso violento que lleva el calorímetro rápidamente a temperaturas altas. Si esto ocurriera dentro de una célula, ella $e quemaría instantáneamente. Por eso es que para retirar la energía de los nutrientes, la célula desarrolló un sistema que los oxida lentamente, liberando energía gradualmente, y produciendo agua y CO2. A ese proceso se le llamó respiración celular, y cabe a los genios Lavoisier y Laplace definir la respiración como "un tipo de combustión, muy lenta, pero no obstante enteramente análoga a la del carbón". Las células utilizan dos mecanismos para retirar energía de los nutrientes: la glicólisis anaeróbica y la fosforilación oxidativa. La glicólisis anaeróbica produce apenas dos moles de ATP por cada mol de glucosa La glicólisis anaeróbica es el proceso por el cual una secuencia de aproximadamente 11 enzimas del citosol o matriz citoplasmática promueven una serie de transformaciones graduales de una molécula de glucosa, sin consumo de oxígeno, produciendo dos moléculas de piruvato y liberando la energía que es almacenada en dos moléculas de ATP. El ATP se forma a partir del ADP y del fosfato inorgánico (Pi) existentes en el citosol, según la ecuación: 2 ADP + 2 Pi + energía de la glucosa -> 2 ATP En este proceso la célula almacena 20 kcal por cada molécula-gramo de glucosa degradada. Esa degradación de la glucosa no necesita de oxígeno, razón por la cual es llamada glicólisis anaeróbica o fermentación. En la levadura de cerveza, en condiciones anaeróbicas, la glicólisis continúa, transformándose el piruvato en etanol después de una serie de reacciones enzimáticas. La fermentación proporciona a la levadura do corvo/a la energía necesaria para su mantención y reproducción, siendo designada como fermentación alcohólica, porque el producto final es el alcohol etílico. La glicólisis es, desde un punto de vista de rendimiento energético, un proceso poco eficiente, ya quju1... de las 690 kcal/mol presentes en la glucosa, apenas 20 son aprovechadas. Como la glicólisis es un proceso rudimentario, las células desarrollaron, a lo largo do la evolución, mecanismos más eficaces de extracción de energía. Gracias a la fosforilación oxidativa, cada mol de glucosa produce 36 moles de ATP Después del aparecimiento del oxígeno en la atmósfera, se desarrolló una nueva vía metabólica de mayor rendimiento energético que la glicólisis: la fosforilación oxidativa. En la fosforilación oxidativa, el piruvato es oxidado formándose agua y gas carbónico, con un alto rendimiento energético. Se acostumbra distinguir, en la oxidación fosforilativa, tres mecanismos distintos, pero que se entrelazan íntimamente; ellos son la producción de

acetilcoenzima A (acetil-CoA), el ciclo del ácido cítrico y el sistema transportador de electrones. Mientras que la glicólisis ocurre en el citosol, la fosforilación oxidativa se procesa en el interior de las mitocondrias (Fig. 4.2.). Producción de acetilcoenzima A La acetil-CoA es producida a partir de la coenzima A y del piruvato derivado de la glicólisis o, por la oxidación de los ácidos grasos. El piruvato y los ácidos grasos atraviesan las membranas mitocondriales, y en la matriz del organelo generan acetato que ligado a la coenzima A forma acetil-CoA. La transformación de piruvato en acetil-Co A se debe a un sistema multienzimático, el complejo piruvato deshidrogenasa, constituido de copias múltiples de tres enzimas, cinco coenzimas y dos proteínas reguladoras. Este complejo convierte el piruvato en acetil-CoA, liberando CO,, que es eliminado de la mitocondria. El acetil-CoA entra en el ciclo del ácido cítrico. Ciclo del aculo cítrico Este ciclo, también llamado ciclo do Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, es una secuencia cíclica de reacciones enzimáticas en la cual ocurro, gracias a la presencia de las enzimas llamadas deshidrogenasas, la producción gradual do electrones y protones. Los electrones no son liberados, pero son captados por moléculas complejas como el NAD (nicotinamidaadenina-dinucleótido), el FAD (flavina adenina dinucleótido) y los citocromos, que funcionan como transportadores de electrones, en el proceso de oxidorreducción. El hidrógeno, resultante de las reacciones, es liberado en la matriz mitocondrial bajo la forma de protones (H"). El ciclo del ácido cítrico se inicia con la condensación de la acetil-CoA con el ácido oxalacético, produciendo ácido cítrico. Este experimenta una serie de modificaciones y termina produciendo ácido oxalacético, que a su vez recomienza el ciclo. El resultado final del ciclo del ácido cítrico es el siguiente: gracias a las deshidrogenasas, ocurre la producción de hidrógeno, que proporcionará protones y electrones. Las descarboxilasas llevan a la producción de CO2, y existe una reacción exoenergética que promueve la síntesis de dos moléculas-gramo de ATP por molécula- gramo de glucosa consumida (Fig, 4.3.). La función principal del ciclo del ácido cítrico es, por lo tanto, producir electrones con alta energía y protones, generando CO2. Su rendimiento energético es bajo. Además de esas funciones, el ciclo del ácido cítrico proporciona metabolitos que serán usados para la síntesis de aminoácidos e hidratos de carbono. El sistema transportador de electrones Es una cadena, formada por enzimas y compuestos no enzimáticos, cuya función es transportar electrones. Varios de esos transportadores de electrones son ricos en hierro y constituyen los citocromos. A lo largo de esa cadena, son transportados electrones de alta energía que van gradualmente cediendo esa energía que es dirigida hacia 3 lugares de la cadena, donde ocurre la síntesis de ATP. Este proceso es eficiente y produce 36 moléculas de ATP por molécula de glucosa consumida. Existen, a lo largo de la cadena de oxidación fosforilativa tres sitios en los cuales la energía liberada por la oxidación es gradualmente transferida al ATP

gracias a la fosforilación del ADR En esos lugares de la cadena, ocurre el acoplamiento de la liberación de energía, con su almacenamiento por fosforilación. Existen moléculas tóxicas, como el dinitrofenol, que desacoplan esa transferencia de energía, bloqueando la síntesis de ATP y disipando, bajo la forma de calor, la energía que sería acumulada en el ATP. Al llegar al fin del sistema transportador, los electrones activan moléculas de oxígeno, produciendo O gracias a un sistema enzimático ahí existente, llamado citocromo-oxidasa. Ese oxígeno con un electrón de más, se combina con los protones, produciendo agua (Fig. 4.3.). La citocromo-oxidasa es fuertemente inhibida por el cianuro, razón por la cual este compuesto es un tóxico muy violento. Por lo tanto, la respiración celular anaeróbica produce CO, H, O y energía (calor) según la ecuación global: CnHrO, + 6O, -» 6CO, + 6H:O + energía Como en la mitocondria el consumo de oxígeno está relacionado a la fosforilación de AD1', el proceso recibió el nombre de oxidación fosforilativa. Desde el punto de vista de rendimiento energético, la mitocondria se presenta como una máquina altamente eficiente. Se calcula que, aproximadamente, la mitad de la energía liberada de los nutrientes es almacenada por las mitocondrias en moléculas de ATP. El otro 50% es disipado bajo forma de calor, que es utilizado en los seres homeotérmicos para mantener constante la temperatura corporal. Como conclusión, el proceso de oxidación fosforilativa es de un alto rendimiento energético, cuando se compara con la glicólisis. Ciertos indicios hacen suponer que la glicólisis sea el proceso que filogenéticamente apareció primero y que la oxidación fosforilativa se desarrolló después, durante la evolución, como un perfeccionamiento del proceso de respiración. Vía de las pentosas y síntesis de glucógeno La vía de las pentosas está constituida por una secuencia enzimática con varias etapas, comenzando en la glucosa-6-fosfato, presente en el inicio de la glicólisis, y llevando a la producción del azúcar ribosa, que es una pentosa utilizada para la síntesis de las moléculas de los ácidos nucleicos. A lo largo de esa vía ocurre también la reducción de la coenzima NADP para \.\DPH. La síntesis del glucógeno es el proceso por el cual la glucosa se polimeriza para formar glucógeno, que es acumulado en el citoplasma en cantidades variables de acuerdo al tipo celular, funcionando como depósito de energía, En determinadas células, como en las del hilado y músculo, ese proceso puede ser intenso y se encuentran grandes depósitos de glucógeno. El glucógeno hepático que llega a 150 g es degradado en el intervalo entre las comidas, manteniendo constante el nivel do glucosa en la sangre, proporcionando así esa molécula energética para las otras células del organismo, El glucógeno de las células musculares, al contrario, forma glucosa solo para la contracción muscular.

MITOCONDRIAS Siendo productoras de ATP, las mitocondrias se localizan cercanas a los lugares que necesitan de energía Las mitocondrias (mitos, filamento, y condria, partícula) son organelos de forma redondeada o alargada, presentes en el citoplasma de las células eucariontes y que ejercen una importante función en la respiración aeróbica. Estos organelos poseen un diámetro aproximado de 0,5 a 1,0 um, variando la longitud desde 0,5 um hasta 8 ó 10 um. La forma y la posición de las mitocondrias no son fijas, ya que se ha observado, en cultivos de células, que los organelos se mueven constantemente. Los movimientos y la posición intracelular de las mitocondrias son influenciados por la disposición del citoesqueleto, y do modo general, se observa una estrecha relación entre esos organelos y las necesidades energéticas de la célula. Células que consumen bastante energía, como las musculares, tienen muchas mitocondrias. En el caso de los fibroblastos y linfocitos, existen pocas mitocondrias, coincidiendo con una respiración de baja intensidad. Esa relación es tan acentuada, que se puede establecer una correlación entre el consumo de O, por unidad de peso de un tejido (llamado de QO.) y la cantidad de mitocondrias que sus células contienen. Las mitocondrias generalmente se ubican dentro de la célula, cercanas a los lugares dónele existe un gran consumo de energía. En los epitelios ciliados, las mitocondrias se acumulan cerca de los cilios, y en los espermatozoides, alrededor do la región inicial del flagelo, donde tiene inicio el movimiento flagelar. En las células musculares estriadas, ellas se disponen paralelamente, entre los haces de miofibrillas (Fig. 4.4.). Otros ejemplo son las acumulaciones de mitocondrias encontradas en las células sensitivas de la retina (Fig. 4.5.) y en las células que transportan iones, como por ejemplo, las de los túbulos del riñón (Fig. 4.6.) y las células parietales del estómago. Las mitocondrias son de constitución lipoproteíca, teniendo en promedio tres cuartos cíe su peso constituido por proteínas y un cuarto por lípidos. Los lípidos están presentes principalmente en las membranas mitocondriales. Contienen también una pequeña cantidad de DNA y de las tres variedades de RNA (mRNA, tRNA y rRNA) La mayor parte do los lípidos está formada por fosfolípidos, estando el resto constituido por triacilglicéridos y colesterol. Las proteínas son en su mayor parte enzimas de las cuales se conocen más de 70; esto incluye todas las del ciclo del ácido cítrico y de las B-oxidación de los lípidos. Además, las mitocondrias contienen enzimas relacionadas con la síntesis de proteínas, transaminación de aminoácidos, síntesis de hormonas esferoidales y con otros procesos metabólicos. Aunque el papel energético de las mitocondrias sea importante, y por eso muy enfatizado, en realidad las

mitocondrias participan funciones celulares.

de

muchas

oirás

Ultraestructura y organización funcional de las mitocondrias Las mitocondrias se presentan envueltas por dos membranas conteniendo en su interior la matriz mitocondrial. La membrana externa es lisa y muy permeable a diversos tipos de moléculas con un peso bajo los 5.000 daltons. Esa permeabilidad es debida a la presencia de proteínas intercaladas en la membrana, las porinas, que limitan canales con un diámetro de 1 nm. Entre las dos membranas, se observa el espacio intermembranoso. La membrana interna es rica en enzimas, funcionalmente muy activa y selecciona, de un modo eficiente, las moléculas e iones que la atraviesan, facilitando la penetración de ciertas sustancias e impidiendo la penetración de otras. Además de las diferencias entre las proteínas de las dos membranas, la membrana externa es rica en colesterol, mientras que la membrana interna es pobre en ese lípido, siendo rica en cardiolipina, fosfolípido con cuatro ácidos grasos, que no existe en la membrana externa. La cardiolipina contribuye para dificultar el tránsito de los iones a través de la membrana mitocondrial interna, lo que es funcionalmente muy importante, porque una concentración elevada de iones, en la matriz de la mitocondria, perturbaría el gradiente que genera el flujo de protones y la captación de energía en el ATP, por el proceso quimiosmótico. La constitución molecular de las dos membranas de las mitocondrias está de acuerdo con el posible origen evolutivo de esos organelos a part ir de bacterias simbiontes, que se instalaron en el citoplasma. La membrana mitocondrial externa es parecida a la membrana plasmática de las células eucariontes, y es muy sensible a los detergentes y al ultrasonido, propiedad ésta que ha sido utilizada para romper la membrana externa y aislar, por centrifugación fraccionada, las diversas partes de las mitocondrias, según será visto más adelante. La membrana interna tiene mucha similitud con la membrana de las bacterias y como éstas, contiene el sistema de transferencia de energía. Los fosfolípidos de las membranas mitocondríales no son sintetizados en este organelo, pero sí en el retículo endoplásmico. Las moléculas de tostolípidos son transferidas hacia las mitocondrias por proteínas transportadoras especiales, que llevan los lípidos de una membrana muy rica en estas moléculas (retículo endoplásmico) hacia la membrana de organelos que están con una menor concentración lipídica. Las mitocondrias reciben fosfolípidos por un proceso semejante al descrito en relación a los peroxisomas. La diferencia es que las mitocondrias, aunque son incapaces de sintetizar fosfolípidos, ejercen un papel funcionalmente significativo, modificando las moléculas recibidas por la vía de las proteínas transportadoras.

La membrana interna presenta invaginaciones en forma de tabiques, formando las crestas, que aumentan significativamente la superficie de esa membrana. En ciertos protozoarios y en células que sintetizan esteroides, las invaginaciones de la membrana interna adoptan una forma de tubos o dedos cíe guantes, lo que conduce al aparecimiento de estructuras circulares en el interior de las mitocondrias, cuando son observadas en corte (Fig. 4.8.). Una misma mitocondria puede presentar crestas en repisas e invaginaciones tubulares. En la superficie interna (en contacto con la matriz mitocondrial) cíe la membrana interna de la mitocondria existen pequeñas partículas, en forma de raqueta, y que se insertan por sus colas en esa membrana. Son los corpúsculos elementales, que tienen 10 nm de diámetro. En el interior de las mitocondrias se encuentra una sustancia finamente granular y electrón-densa (oscura en las micro fotografías electrónicas) llamada matriz. Es frecuente observar gránulos electrón-densos (gránulos densos) en el seno de la matriz, con un diámetro de 30 a 50 nm, conteniendo calcio y de función poco conocida. Además de esos componentes, se distinguen con cierta dificultad, en el interior de la matriz, regiones filamentosas constituidas por filamentos de DNA. En la matriz mitocondrial existe, en su mayoría unidos a la membrana interna, ribosomas que miden 15 nm de diámetro (menores que los del citosol). Existen algunas variaciones en la estructura mitocondrial, según el tipo de célula y su estado funcional. De un modo general, la cantidad de crestas es proporcional a la actividad respiratoria de la célula; la densidad electrónica de la matriz también sigue esa relación. En las células del tejido muscular, por ejemplo, se encuentran mitocondrias extremadamente ricas en crestas y con matriz muy densa a los electrones (Fig. 4.4.). El análisis de la localización de las enzimas, en los componentes de las mitocondrias, fue facilitado por la técnica de ruptura de esos organelos, con detergentes o ultrasonido, y el aislamiento de las membranas internas, de las membranas externas, del contenido del espacio intermembranoso y del contenido de la matriz. El estudio de esas fracciones ha demostrado que la matriz es un complejo concentrado de centenares de. enzimas, entre las cuales están las relacionadas con el ciclo del ácido cítrico, con la B-oxidación de ácidos grasos y con la replicación, transcripción y traducción del DNA mitocondrial. En la membrana interna se encuentran más de 60 proteínas con las siguientes funciones principales: 1- enzimas y proteínas que constituyen la cadena de transporte de electrones. 2- proteínas dé los corpúsculos elementales, con actividad de ATI-sintetasa sin la cual la membrana no tendría la capacidad de acoplar el transporte de electrones a la síntesis de AIT; 3- proteínas que forman parte de los múltiples sistemas de transporte activo presentes en la membrana interna. En las células procariontes (bacterias) no existen mitocondrias, y la cadena transportadora de electrones se encuentra en la cara interna de la me mbrana plasmática de esas células. Por lo tanto, el flujo de electrones y la oxidación fosforilativa estan siempre asociados a membranas, y ese es un principio general de organización funcional en tocios los seres vivos, sean ellos constituidos por células eucariontes o procariontes.

La transferencia de energía al ADP, transformándolo en ATP, se debe a un proceso quimiosmótico La teoría actualmente aceptada, para explicar el acoplamiento del proceso oxidativo mitocondrial con la síntesis de ATP a partir de ADP, es la teoría quimiosmótica, según la cual los iones H~ (protones), producidos en el ciclo del ácido cítrico en la matriz mitocondrial, son transportados activamente a través cíe la membrana interna v acumulados en el espacio intramembranoso, gracias a la energía liberada por los electrones, durante su tránsito por la cadena transportadora de electrones. La energía del flujo retrógrado de protones, a través de los corpúsculos elementales, es usada para transformar ADP en ATP. La fig . 4.10. ilustra la teoría quimiosmótica. En un tipo especializado de tejido adiposo, el tejido adiposo multilocular, las células se presentan ricas en mitocondrias y contienen numerosas gotas de lípidos. Estas células son especializadas en la producción de calor, de importancia en la defensa de los animales contra el frío, y en el despertar de los animales hibernantes. La producción de calor está muy aumentada en las células del tejido adiposo multilocular, por la presencia, en las mitocondrias de una proteína específica, la termogenina (termo, calor y gen, generar). Esta proteína permite que los protones, acumulados en el espacio intermembranoso, fluyan libremente de vuelta hacia la matriz, sin pasar por los corpúsculos elementales. En consecuencia, no ocurre síntesis de ATP y la energía derivada del flujo cíe protones es disipada bajo la forma cié calor (Fig. 4.10.). Transporte de iones y mitocondrias La gran acumulación de mitocondrias en las células que transportan iones, como es el caso de las células de los túbulos contorneados renales y de las células parietales del estómago, está relacionada a un alto gasto de energía en los movimientos iónicos, contra un gradiente de concentración, es decir, el transporte de iones de un lugar de baja concentración hacia un compartimento de alta concentración. En los dos ejemplos mencionados (células del riñón y células parietales del estómago), los iones son transportados hacia afuera de las células por un proceso activo. Esta acumulación de mitocondrias en las células transportadoras de iones está asociada a abundantes invaginaciones de la membrana plasmática, lo que aumenta considerablemente la superficie celular por donde tiene lugar el transporte. En estas regiones se verifica un estrecho contacto entre las mitocondrias (productoras de energía bajo la forma de ATP) y las membranas ricas en ATPasa, enzima que libera la energía que será utilizada localmente por las bombas iónicas ahí presentes. Se trata así de una disposición de alta eficiencia energética. Las mitocondrias presentan un genoma propio, aunque incompleto. El estudio microscópico de células cultivadas muestra que las mitocondrias poseen la capacidad de dividirse in vitro. Por otra parte, el estudio bioquímico de estos organelos demostró que ellos

contienen DMA y los tres tipos de RNA (rRNA, mRNA, tRNA) y todo el sistema molecular necesario para la síntesis de proteínas, independiente del citoplasma. De hecho, mitocondrias aisladas, in vitro, contienen ribosomas, sintetizan proteínas y son consideradas, debido a las características ya mencionadas, como unidades autorreproductivas. El DNA de las mitocondrias fue visualizado, aislado y fotografiado. Se trata de un DNA muy compacto, que codifica RNA formado sólo por exones, sin intrones, y que tiene un código genético propio, diferente del código genético universal. Otra característica de ese DNA es su origen exclusivamente materno. Prácticamente, todas las mitocondrias del zigoto son de origen materno. El DNA de las mitocondrias se presenta bajo la forma de anillos de cadena doble, con una circunferencia de 5 a 6 um (Fig. 4.11.). Ese DNA se replica independientemente del DNA nuclear y de la división de las mitocondrias. De hecho, varias copias del DNA mitocondrial coexisten en una misma mitocondria. La función de ese DNA es especificar la secuencia de aminoácidos de algunas -pero no de todas- las proteínas mitocondriales, además de producir los tres tipos de RN A (Fig. 4.12.). 1.a mayor parte de las proteínas mitocondriales es sintetizada en el citoplasma, en polirribosomas libres, y de ahí son transferidas a las mitocondrias. Las proteínas destinadas a las mitocondrias tienen un pequeño segmento en su molécula que es una señal, reconocida por receptores en la superficie de las mitocondrias. Usas proteínas son introducidas en las mitocondrias, por un proceso activo, con gasto de ATP. El genoma de las mitocondrias humanas, que es relativamente pequeño ya fue completamente secuenciado. Tiene 16.569 nucleótidos formando dos genes para rRNA, 22 de tRNA y 13 genes que codifican proteínas, en un total de 37 genes, de los cuales 24 codifican UNA. Llama la atención el hecho de que el código genético mitocondrial se presenta alterado, de modo que 4 de los 64 codones presentan un significado diferente. Entre las proteínas sintetizadas en las mitocondrias, se mencionan las subunidades de ATP -sintetasa, del complejo citocromo bc, y la citocromo oxidasa. Origen de las mitocondrias La presencia de DNA, de los varios tipos de RNA y de un mecanismo de autorreproducción propio en las mitocondrias, además de otros datos, sugieren que las mitocondrias se originaron de bacterias aeróbicas, que establecieron una relación simbiótica con células eucariontes anaeróbicas en los principios de la vida en la Tierra (ver Cap. 1). Se acepta que, durante el proceso evolutivo, las mitocondrias perdieron gradualmente la mayor parte de su genoma, que fue transferido a la célula hospedadora. Así, las mitocondrias se hicieron dependientes de proteínas codificadas por el genoma del núcleo celular. Otra indicación, muy sugerente del origen de las mitocondrias a partir de bacterias endosimbiontes, es el hecho de que la membrana externa de las mitocondrias es muy similar a la membrana plasmática de las células eucariontes, mientras que la membrana interna es más similar a la membrana de las bacterias. Esas bacterias habrían penetrado en células eucariontes primordiales por fagocitosis, habiendo escapado de los mecanismos intracelulares de destrucción de células extrañas y establecido la endosimbiosis. Durante la fagocitosis, la membrana plasmática de la

célula eucarionte hospedera originó la membrana externa de la mitocondria, y la membrana de la bacteria se transformó en la membrana interna de la mitocondria.

La observación do que los antibióticos que inhiben lo síntesis proteico bacteriana también actúan sobre los mitocondrias (Fig. 4.13.), hablo a favor del origen bacteriano do los mitocondrias. Ciclo de energía en la naturaleza La energía acumulada por los celulosos utilizada por ollas poro la mantención do su propia estructura y para el desempeño de sus funciones. El ciclo general de energía en la naturaleza está esquematizado en la Fig. 4.14. Las células de los seres heterotróficos (heteros, otro, y trophe, nutrición) utilizan la energía de los alimentos. En los vegetales autotróficos (auto, propio, y trophe, nutrición), gracias al proceso do fotosíntesis, se croan condiciones que permiten a la propia célula la síntesis do sus alimentos. Estos, a su ve/, son utilizados por los células vegetales y también por las células animales (Fig. 4.15.). Lo vida en la Tierra depende do la fotosíntesis. Existen enfermedades por deficiencia mitocondríal Existen varias enfermedades debido a disfunciones mitocondriales, descritas en la literatura médica. Serán mencionados dos ejemplos. El primero es la enfermedad de Luft, caracterizada por un aumento cuantitativo de las mitocondrias musculares en pacientes con metabolismo basal elevado, simulando un hipertiroidismo. El análisis bioquímico de las mitocondrias de esos enfermos mostró que la oxidación fosforilativa está parcialmente desacoplada, explicando la sintomatología observada. La miopatía mitocondrial infantil, enfermedad fatal y acompañada de lesión muscular y disfunción renal (las células renales y musculares son ricas en mitocondrias), es resultante de la disminución acentuada, o aún de la ausencia completa de las en/i mas de la cadena transportadora do electrones. Esas enfermedades mitocondriales son hereditarias, pero solamente por vía materna. Hombres y mujeres pueden presentar los enfermedades hereditarias mitocondriales, pero solamente las mujeres las transmiten a sus descendientes, porque en la fertilización lo contribución del espermatozoide, con relación a las mitocondrias, es insignificante. Las micotondrias del óvulo fecundado (zigoto) y de las células de él originadas son prácticamente todos derivadas de lo multiplicación de los mitocondrias del óvulo, y por lo tanto, maternos. Las enfermedades hereditarios mitocondriales presentan una gran variación en los síntomas de un enfermo a otro, debido a la heteroplasmia, es decir, los células de los enfermos presentan cantidades variables de DNA mitocondriol normal y DNA mitocondríal mulante. El óvulo que lleva mitocondrias maternas mutantes también lleva mitocondrias maternas con el DNA normal.

RESUMEN Para la realización de sus actividades, las células usan ¡a energía obtenida a través de la ruptura de los enlaces covalentes de las moléculas de los alimentos. Las células de las plantas y de algunas bacterias son autotróficas, sintetizando moléculas alimenticias complejas a partir de moléculas inorgánicas y de la energía solar. Las demás células son heterotróficas. Estas no son capaces de convertir en enlaces químicos la energía solar, no sintetizan moléculas alimenticias y por lo tanto, dependen enteramente del alimento sintetizado por las células autotróficas para su supervivencia. En las células, la energía de los nutrientes es liberada gradual y parcialmente transferida hacia las moléculas de ATP (adenosin-trifosfato), que contienen enlaces ricos en energía. Otra parte es disipada bajo la forma de calor, calentando el organismo. Las moléculas energéticas más usadas por las células son la glucosa y los ácidos grasos. Degradada en la matriz citoplasmática, sin participación del oxígeno, por el proceso de glicólisis anaeróbica, cada mol de glucosa produce 2 moles de ATP y deja como residuo 2 moles de piruvato, que aún contienen mucha energía. Las moléculas de piruvato y de ADP pasan hacia la matriz mitocondrial donde también llega oxígeno de la respiración \i el proceso continúa, formándose acetil-coenzima A, que entra en el ciclo del ácido cítrico y en el sistema transportador de electrones para producir 36 moles más de ATP. Desde el punto de vista del aprovechamiento de energía, la ventaja de la mitocondria es enorme. Sin ella, la célula obtendría apenas 2 moles de ATI 1 por mol de glucosa. Con la mitocondria, el rendimiento es mucho mayor. Las mitocondrias son orfanatos redondeados o alargados, localizados generalmente cercano a las regiones del citoplasma que necesitan de mucha energía. Están constituidas por dos membranas. La externa es lisa y muy permeable. La membrana interna contiene cardiolipina, t-s selectiva, controla mejor el tránsito molecular en los dos sentidos y se dobla formando pliegues hacia el interior de ¡a mitocondria. Estos pliegues aumentan mucho la superficie de ¡a membrana interna, proporcionando un área mayor partí el sistema transportador de electrones que ahí se localiza. El interior del organelo, limitado por la membrana interna, contiene la matriz mitocondrial donde están las enzimas del ciclo del ácido cítrico. La energía liberada en la cadena transportadora de electrones es utilizada para el transporte de protones de la matriz hacia el espacio intermembranoso, donde ¡os protones se acumulan. Esos protones del espacio intermembranoso fluyen de vuelta hacia la matriz a través de ¡os corpúsculos elementales, flujo éste cuya energía es convertida, en el corpúsculo elemental, en energía química fácilmente accesible, gracias a la síntesis del ATP a partir del ADP. Las mitocondrias poseen DNA y los tres tipos de RNA (mensajero, ribosomal y de transferencia), sintetizando algunas proteínas propias. Pero la mayor parte de las proteínas que constituyen las mitocondrias son sintetizadas en el citoplasma, bajo el control del código genético del núcleo celular, siendo después, transferidas hacia la mitocondria.