La estructura y función de mitocondrias y cloroplastos. Endosimbiosis.

Puntos más importantes:

  • Las mitocondrias son las "centrales energéticas" de la célula, ya que rompen las moléculas de combustible y capturan la energía en la respiración celular.
  • Los cloroplastos se encuentran en plantas y algas. Son responsables de capturar la energía luminosa para hacer azúcares en la fotosíntesis.
  • Las mitocondrias y los cloroplastos probablemente comenzaron como bacterias que fueron "tragadas" por células más grandes (la teoría endosimbiótica).

Introducción

Probablemente sepas que tu cuerpo está formado por células (millones de millones de ellas). Tal vez también sepas que el motivo por el que tienes que tomar alimentos, como los vegetales, es para tener la energía para hacer cosas como hacer deporte, estudiar, caminar e incluso respirar.
Pero, ¿qué ocurre exactamente en tu organismo para convertir la energía almacenada en el brócoli en una forma que tu cuerpo puede utilizar? Y ¿cómo es que la energía queda guardada en el brócoli?
Las respuestas a estas preguntas tienen mucho que ver con dos organelos importantes: las mitocondrias y los cloroplastos.
  • Los cloroplastos son organelos que se encuentran en las células del brócoli, así como las de otras plantas y algas. Capturan la energía luminosa y la almacenan como moléculas de combustible en los tejidos vegetales.
  • Las mitocondrias se encuentran dentro de tus células y también en las células vegetales. Convierten la energía almacenada en las moléculas del brócoli (o de otras moléculas de combustible) en una forma que las células pueden utilizar.
Echemos un vistazo a estos dos organelos muy importantes.

Cloroplastos

Los cloroplastos solo se encuentran en las plantas y las algas fotosintéticas (los humanos y demás animales no tienen cloroplastos). La función del cloroplasto es realizar un proceso llamado fotosíntesis.
En la fotosíntesis, la energía luminosa se captura y se usa para formar azúcares a partir de dióxido de carbono. Los azúcares producidos en la fotosíntesis pueden ser usados por la célula vegetal, o los pueden consumir los animales que se comen la planta, como serían los humanos. La energía contenida en estos azúcares se extrae a través de un proceso conocido como respiración celular, que sucede en la mitocondria de células vegetales y animales.
Los cloroplastos son organelos en forma de disco que se encuentran en el citosol de una célula. Tienen membranas internas y externas con un espacio intermembranoso entre ellas. Si pasaras a través de las dos membranas y llegaras al espacio en el centro, te darías cuenta que contiene discos membranosos conocidos como tilacoides, que están acomodados en pilas interconectadas llamadas granas (en singular, granum).
Esquema de un cloroplasto que muestra las membranas externa e interna, el espacio intermembranal, el estroma y los tilacoides dispuestos en pilas llamadas granas.
_Imagen modificada de "Cloroplasto mini", de Kelvin Ma (CC BY 3.0)_
La membrana de un tilacoide tiene complejos que capturan la luz entre los que se encuentran la clorofila, el pigmento que le da a las plantas su color verde. Los tilacoides son huecos y el espacio dentro del disco se conoce como espacio del tilacoide o lumen, mientras que el espacio lleno de líquido alrededor de los tilacoides se llama estroma.
Aprende más acerca de los cloroplastos, la clorofila y la fotosíntesis en la sección sobre fotosíntesis

Mitocondrias

A las mitocondrias (singular mitocondria) a menudo se les llama las centrales energéticas o fábricas de energía de la célula. Su función es producir un suministro constante de trifosfato de adenosina (ATP), la molécula energética principal de la célula. Al proceso de producir ATP a partir de moléculas de combustible como los azúcares se le llama respiración celular y muchos de sus pasos suceden dentro de las mitocondrias.
Las mitocondrias están suspendidas en el citosol gelatinosa de la célula. Tienen forma ovalada y dos membranas: una externa, que rodea el todo el organelo, y una interna, con muchos pliegues hacia el interior llamados crestas que aumentan la superficie.
Micrografía electrónica de una mitocondria, mostrando la matriz, crestas, membrana externa y membrana interna.
_Créditos de imagen: imagen superior, "Células eucariontes: Figura 7", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Modificación de la obra de Matthew Britton; datos de escala de Matt Russell. Imagen inferior: modificación de "Mitocondria mini", de Kelvin Ma (dominio público)_
Alguna vez se pensó que las crestas eran dobleces amplios y ondulados, pero como se analiza en el video sobre mitocondrias, ahora se cree que se parecen más a largas cavernas1^1. A continuación tenemos una reconstrucción 3D de una rebanada de una mitocondria:
Crédito de la imagen: "MitochondrionCAM," por Carmann (dominio público)2^2
El espacio entre las membranas se conoce como espacio intermembranoso, y el compartimento encerrado por la membrana interna se llama la matriz mitocondrial. La matriz contiene ADN mitocondrial y ribosomas. Más adelante hablaremos sobre el motivo por el cual las mitocondrias (y los cloroplastos) tienen su propio ADN y ribosomas.
La estructura de varios compartimentos de la mitocondria podría parecernos muy complicada. Es cierto, pero resulta ser muy útil para la respiración celular, ya que permite separar las reacciones y mantener concentraciones distintas de las moléculas en diferentes "habitaciones".
Los electrones de las moléculas combustibles, como el azúcar glucosa, son removidos mediante reacciones que se llevan a cabo en el citosol y en la matriz mitocondrial. Estos electrones son capturados por moléculas especiales llamadas transportadores de electrones y depositados en la cadena de transporte de electrones, una serie de proteínas incrustadas en la membrana mitocondrial interna.
A medida que los electrones se mueven a lo largo de la cadena de transporte, liberan energía, la cual es utilizada para bombear protones (H+\text H^+) hacia afuera de la matriz y hacia el espacio intermembranoso. Cuando los protones fluyen de nuevo en dirección a su gradiente de concentración y hacia adentro de la matriz, pasan a través de una enzima llamada ATP sintasa, la cual aprovecha el flujo de protones para generar ATP.
Este proceso de producción de ATP mediante el gradiente de protones generado por la cadena transportadora de electrones se conoce como fosforilación oxidativa. La separación de la mitocondria en matriz y espacio intermembranoso es esencial para la fosforilación oxidativa, ya que permite el establecimiento del gradiente de protones.
Los electrones de las moléculas de combustible, tales como el azúcar glucosa, son arrancados en reacciones que suceden en el citosol y en la matriz mitocondrial. Estos electrones son capturados por moléculas especiales llamadas acarreadores de electrones y se depositan en la cadena de transporte de electrones, una serie de proteínas incrustadas en la membrana mitocondrial interna. A medida que los electrones viajan por la cadena de transporte, se libera energía y esta se usa para bombear protones (H+\text H^+) desde la matriz hacia el espacio intermembranal. Cuando lo protones regresan a favor de su gradiente de concentración hacia la matriz, pasan por una enzima llamada ATP sintetasa que aprovecha el flujo de protones para generar ATP a partir de ADP y Pi.
_Imagen modificada de "Etc4" de Fvasconcellos (dominio público)._
Aunque las mitocondrias se encuentran en la mayoría de las células humanas (así como en la mayoría de los tipos de células en otros animales y plantas), su número varía según la función de la célula y la energía que necesita. Las células musculares, por ejemplo, generalmente requieren grandes cantidades de energía y mitocondrias, mientras que los glóbulos rojos, que están muy especializados para transportar oxígeno, carecen de mitocondrias por completo3^3.

¿De dónde vienen estos organelos?

Tanto las mitocondrias como los cloroplastos tienen su propio ADN y ribosomas. ¿Por qué necesitarían estos organelos ADN y ribosomas, si hay ADN en el núcleo y ribosomas en el citosol?
Hay evidencia contundente que apunta a la endosimbiosis como respuesta a este dilema. La simbiosis es una relación en la que organismos de dos especies diferentes viven una relación cercana y dependiente. La endosimbiosis (endo- = "dentro") es un tipo específico de simbiosis donde un organismo vive dentro de otro.
  1. Sucedió el primer evento endosimbiótico: el eucarionte ancestral consumió la bacteria aerobia que evolucionó en la mitocondria.
  2. En un segundo evento endosimbiótico, el eucarionte temprano consumió las bacterias fotosintéticas que evolucionaron en cloroplastos."
_Imagen modificada de "Orígenes de los eucariontes: Figura 4," de OpenStax College, Biology, (CC BY 4.0)_
Las bacterias, las mitocondrias y los cloroplastos, son semejantes en tamaño. Las bacterias además tienen ADN y ribosomas similares a aquellos de las mitocondrias y cloroplastos4^4. De acuerdo con esta y otra evidencia, los científicos piensan que células hospederas y bacterias formaron una relación endosimbiótica hace mucho tiempo, cuando las células hospederas individuales tomaron las bacterias aerobias (que consumen oxígeno) y fotosintéticas, pero no las destruyeron. A lo largo de millones de años de evolución, las bacterias aerobias se convirtieron en mitocondrias y las bacterias fotosintéticas se volvieron cloroplastos.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Eukaryotic cells (Células eucariontes),” escrito de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:18/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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  2. Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function (La relevancia de la topología de la membrana mitocondrial para la función de la mitocondria). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 141. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadis.2005.07.001.
  3. Mitochondrion (Mitocondria). (18 de diciembre, 2015). Tomado de Wikipedia el 20 de diciembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion.
  4. Symbiogenesis (Simbiogénesis). (6 de junio, 2016). Tomado de Wikipedia el 20 de julio, 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.

Referencias:

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Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function (La relevancia de la topología de la membrana mitocondrial para la función de la mitocondria). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 140-147. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadis.2005.07.001.
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