lunes, 28 de junio de 2021

La mitocondria y el cloroplasto

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La mitocondria es un orgánulo de doble membrana que se encuentra en la mayoría de los organismos eucariotas. Sin embargo, algunas células en algunos organismos multicelulares pueden carecer de ellas (por ejemplo, glóbulos rojos de mamíferos maduros). Varios organismos unicelulares, como microsporidios, parabasalidos y diplomónidos, también han reducido o transformado sus mitocondrias en otras estructuras. Hasta la fecha, se sabe que solo dos eucariotas, Monocercomonoides y Henneguya salminicola, han perdido por completo sus mitocondrias. Las mitocondrias generan la mayor parte del suministro celular de trifosfato de adenosina (ATP), utilizado como fuente de energía química. Una mitocondria se denomina así la planta de energía de la célula eucariota.

Las mitocondrias son comúnmente entre 0,75 y 3 μm² en área pero varían considerablemente en tamaño y estructura. A menos que estén tinturadas específicamente, no son visibles. Además de suministrar energía celular, las mitocondrias están involucradas en otras tareas, como la señalización, la diferenciación celular y la muerte celular, así como también para mantener el control del ciclo celular y el crecimiento celular. La biogénesis mitocondrial a su vez se coordina temporalmente con estos procesos celulares. Las mitocondrias se han implicado en varias enfermedades humanas, incluyendo trastornos mitocondriales, disfunción cardíaca, insuficiencia cardíaca y autismo.

El número de mitocondrias en una célula puede variar ampliamente según el organismo, el tejido y el tipo de célula. Por ejemplo, los glóbulos rojos no tienen mitocondrias, mientras que las células del hígado pueden tener más de 2000. El orgánulo se compone de compartimentos que realizan funciones especializadas. Estos compartimentos o regiones incluyen la membrana externa, el espacio intermembrana, la membrana interna, las crestas y la matriz.

Aunque la mayor parte del ADN de una célula está contenida en el núcleo celular, la mitocondria tiene su propio genoma independiente que muestra una similitud sustancial con los genomas bacterianos. Las proteínas mitocondriales (proteínas transcritas a partir del ADN mitocondrial) varían según el tejido y la especie. En humanos, se identificaron 615 tipos distintos de proteínas de las mitocondrias cardíacas, mientras que, en las ratas, se informaron 940 proteínas. Se cree que el proteoma mitocondrial está regulado dinámicamente.

Una mitocondria tiene una membrana externa y una membrana interna separadas por una región llamada espacio intermembrana (Figura 27). La membrana interna está altamente invaginada (plegada) para formar proyecciones llamadas crestas. Las crestas aumentan considerablemente el área de superficie de la membrana interna, que es el sitio donde se produce el ATP. El compartimento encerrado por la membrana interna es la matriz mitocondrial.

El papel principal de las mitocondrias es producir ATP. Aunque las mitocondrias producen la mayor parte del ATP de una célula, las mitocondrias no crean energía. Más bien, su función principal es convertir la energía química que se almacena dentro de los enlaces covalentes de las moléculas orgánicas (grasa especialmente, pero también azúcares y proteínas en emergencias) en una forma que las células puedan usar fácilmente. Los enlaces covalentes en azúcares, grasas y aminoácidos almacenan una gran cantidad de energía. La descomposición de estas moléculas en moléculas más simples libera energía que se utiliza para producir ATP. Muchas proteínas en las células vivas usan el ATP como fuente de energía para llevar a cabo sus funciones, como la contracción muscular, la absorción de nutrientes, la división celular y muchos otros procesos celulares.

Figura 27. Estructura de una mitocondria. Esta figura enfatiza la organización de la membrana de una mitocondria, que tiene una membrana externa e interna. Las invaginaciones de la membrana interna se llaman crestas. La matriz mitocondrial se encuentra dentro de la membrana interna. La micrografía es un TEM coloreado.

Las mitocondrias también realizan otras funciones. Están involucrados en la síntesis, modificación y descomposición de varios tipos de moléculas celulares. Por ejemplo, la síntesis de ciertas hormonas requiere enzimas que se encuentran en las mitocondrias. Otro papel interesante de las mitocondrias es generar calor en células grasas especializadas conocidas como células grasas marrones. Los grupos de células de grasa marrón sirven como "almohadillas térmicas" que ayudan a revivir a los animales en hibernación y a proteger las áreas sensibles de animales jóvenes del frío.

Los cloroplastos son orgánulos que capturan la energía de la luz y utilizan parte de esa energía para sintetizar moléculas orgánicas como la glucosa. Este proceso, es llamado fotosíntesis. Los cloroplastos se encuentran en casi todas las especies de plantas y algas. La Figura 28 muestra la estructura de un cloroplasto típico. Al igual que una mitocondria, un cloroplasto contiene una membrana externa e interna. Un espacio intermembrana se encuentra entre estas dos membranas. Un tercer sistema de membranas, la membrana tilacoidea, forma muchos túbulos aplanados y llenos de líquido que encierran un compartimento único y enrevenado llamado luz tilacoidea. Estos túbulos tienden a apilarse uno encima del otro para formar una estructura llamada granum (plural, grana). El estroma es el compartimento del cloroplasto que está encerrado por la membrana interna pero fuera de la membrana tilacoidea.

Figura 28. Estructura de un cloroplasto. Como una mitocondria, un cloroplasto está encerrado en una membrana doble. Además, tiene un sistema interno de membrana tilacoide que forma compartimentos aplanados, que puede considerarse una tercera membrana. Estos compartimientos se apilan unos sobre otros para formar grana. El estroma se encuentra dentro de la membrana interna pero fuera de la membrana tilacoidea. Esta micrografía es un TEM coloreado.

Los cloroplastos son una versión especializada de orgánulos vegetales que se conocen más generalmente como plastidios. Todos los plastidios se derivan de proplastidos no especializados. Los diversos tipos de plastidios se distinguen por sus habilidades sintéticas y los tipos de pigmentos que contienen. Los cloroplastos, que realizan la fotosíntesis, contienen el pigmento verde clorofila. La abundante cantidad de cloroplastos en las hojas de las plantas les da su color verde. Los cromoplastos, un segundo tipo de plastidio, funcionan para sintetizar y almacenar los pigmentos amarillos, naranjas y rojos conocidos como carotenoides. Los cromoplastos dan a muchas frutas y flores sus colores. En otoño, los cromoplastos también dan a las hojas sus colores amarillo, naranja y rojo. Un tercer tipo de plastidio, los leucoplastos, generalmente carece de moléculas de pigmento. Un amiloplastos es un leucoplasto que sintetiza y almacena almidón. Los amiloplastos son comunes en estructuras subterráneas como raíces y tubérculos.

Para apreciar completamente la estructura y organización de las mitocondrias y los cloroplastos, también debemos examinar brevemente sus propiedades genéticas. En 1951, Yasutane Chiba expuso las células vegetales a la mancha de Feulgeno, un colorante específico de ADN, y descubrió que los cloroplastos se tiñeron. Según esta observación, fue el primero en sugerir que los cloroplastos contienen su propio ADN. Los investigadores en las décadas de 1970 y 1980 aislaron el ADN de los cloroplastos y las mitocondrias. Estos estudios revelaron que el ADN de estos orgánulos se parecía a versiones más pequeñas de cromosomas bacterianos.

Figura 29. Las mitocondrias se multiplican por fisión binaria.

Los cromosomas que se encuentran en las mitocondrias y los cloroplastos se denominan genoma mitocondrial y genoma de cloroplastos, respectivamente, mientras que los cromosomas que se encuentran en el núcleo de la célula constituyen el genoma nuclear. Al igual que las bacterias, los genomas de la mayoría de las mitocondrias y los cloroplastos están compuestos por un solo cromosoma circular. En comparación con el genoma nuclear, son muy pequeños. Por ejemplo, la cantidad de ADN en el genoma nuclear humano (aproximadamente 3 mil millones de pares de bases) es aproximadamente 200,000 veces mayor que el genoma mitocondrial. En términos de genes, el genoma humano tiene aproximadamente 22,000 genes diferentes, mientras que el genoma mitocondrial humano tiene solo unas pocas docenas. Los genomas de cloroplastos tienden a ser más grandes que los genomas mitocondriales, y tienen un número correspondientemente mayor de genes. Dependiendo de la especie particular de planta o alga, un genoma de cloroplasto es aproximadamente 10 veces más grande que el genoma mitocondrial de las células humanas.

Así como los genomas de las mitocondrias y los cloroplastos se parecen a los genomas bacterianos, la producción de nuevas mitocondrias y cloroplastos se asemeja mucho a la división de las células bacterianas. Al igual que sus contrapartes bacterianas, las mitocondrias y los cloroplastos aumentan en número por fisión binaria, o se dividen en dos. La Figura 29 ilustra el proceso para una mitocondria. El cromosoma mitocondrial, que se encuentra en una región llamada nucleoide, se duplica y el orgánulo se divide en dos orgánulos separados. Las divisiones mitocondriales y de cloroplastos son necesarias para mantener un juego completo de estos orgánulos cuando se produce el crecimiento celular después de la división celular.

Además, las condiciones ambientales pueden influir en los tamaños y números de estos orgánulos. Por ejemplo, cuando las plantas están expuestas a más luz solar, aumenta el número de cloroplastos en las células de las hojas.

La observación de que las mitocondrias y los cloroplastos contienen su propio material genético puede parecer desconcertante. Quizás se pueda pensar que sería más simple para una célula eucariota tener todo su material genético en un solo lugar: el núcleo. Los distintos genomas de las mitocondrias y los cloroplastos se remontan a su origen evolutivo, que implica una antigua asociación simbiótica.

Una relación simbiótica ocurre cuando dos especies diferentes viven en contacto directo entre sí. La endosimbiosis describe una relación simbiótica en la que las especies más pequeñas, el simbionte, en realidad viven dentro de las especies más grandes. En 1883, Andreas Schimper propuso que los cloroplastos descendieran de una relación endosimbiótica mutualista entre las cianobacterias (una bacteria capaz de fotosíntesis) y las células eucariotas. En 1922, Ivan Wallin también planteó la hipótesis de un origen endosimbiótico para las mitocondrias.

A pesar de estas ideas interesantes, la cuestión de la endosimbiosis se ignoró en gran medida hasta el descubrimiento de que las mitocondrias y los cloroplastos contienen su propio material genético. En 1970, Lynn Margulis revivió el tema de la endosimbiosis como el origen de las mitocondrias y los cloroplastos en su libro Origin of Eukaryotic Cells. Durante las décadas de 1970 y 1980, el advenimiento de las técnicas de genética molecular permitió a los investigadores analizar genes de mitocondrias, cloroplastos, bacterias y genomas nucleares eucariotas. Los investigadores descubrieron que los genes en las mitocondrias y los cloroplastos son muy similares a los genes bacterianos. Del mismo modo, las mitocondrias y los cloroplastos son sorprendentemente similares en tamaño y forma a ciertas especies bacterianas. Estas observaciones proporcionaron un fuerte apoyo a la teoría de la endosimbiosis, que propone que las mitocondrias y los cloroplastos se originaron a partir de bacterias que se establecieron dentro de una célula eucariota primordial.

Figura 30. Una visión simplificada de la teoría de la endosimbiosis. (a) De acuerdo con este concepto, las mitocondrias modernas se derivaron de bacterias moradas, también llamadas proteobacterias α. En el transcurso de la evolución, sus características cambiaron a las que se encuentran en las mitocondrias de hoy. (b) Se produjo un fenómeno similar para los cloroplastos, que se derivaron de las cianobacterias (bacterias azul-verdosas), una bacteria que es capaz de fotosíntesis.

Durante los próximos 2 mil millones de años, las características de estas células bacterianas intracelulares cambiaron gradualmente a las de una mitocondria o cloroplasto.

La simbiosis ocurre porque la relación es beneficiosa para una o ambas especies. Según la teoría de la endosimbiosis, esta relación proporcionó a las células eucariotas características celulares útiles. Los cloroplastos, que se derivaron de las cianobacterias, tienen la capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis. Esto beneficia a las células vegetales al darles la capacidad de utilizar la energía de la luz solar. En comparación, se cree que las mitocondrias se derivaron de un tipo diferente de bacteria conocida como bacteria púrpura, o proteobacterias α. En este caso, la relación endosimbiótica permitió a las células eucariotas sintetizar mayores cantidades de ATP. La forma en que la relación hubiera sido beneficiosa para una cianobacteria o una bacteria púrpura es menos clara, aunque el citosol de una célula eucariota puede haber proporcionado un entorno estable con un suministro adecuado de nutrientes.

Durante la evolución de las especies eucariotas, muchos genes que se encontraron originalmente en los genomas de las bacterias y cianobacterias púrpuras primordiales se transfirieron de los orgánulos al núcleo. Esto ha ocurrido muchas veces a lo largo de la evolución, por lo que las mitocondrias y los cloroplastos modernos han perdido la mayoría de los genes que aún existen en las bacterias púrpuras y las cianobacterias actuales. Algunos investigadores especulan que el movimiento de los genes hacia el núcleo facilita que la célula controle la estructura, función y división de las mitocondrias y los cloroplastos. En las células modernas, cientos de proteínas diferentes que forman estos orgánulos están codificadas por genes que han sido transferidos al núcleo. Estas proteínas se elaboran en el citosol y luego se incorporan a las mitocondrias o cloroplastos.

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