Estructura y función de las mitocondrias y los cloroplastos. Teoría de la endosimbiosis. Estructura y función de los peroxisomas.

Puntos más importantes:

  • Las mitocondrias son los organelos considerados como las "centrales eléctricas" de la célula: rompen las moléculas de combustible y capturan su energía mediante la respiración celular.
  • Los cloroplastos son organelos que se encuentran en las células de plantas y algas, y son los responsables de capturar la energía luminosa para producir azúcares durante la fotosíntesis.
  • La teoría de la endosimbiosis dice que las mitocondrias y los cloroplastos probablemente se originaron como procariontes de vida libre que fueron engullidos por células más grandes.
  • Los peroxisomas son organelos en los que se llevan a cabo reacciones de oxidación y desintoxican sustancias peligrosas. Sus orígenes probablemente no sean endosimbióticos.

Introducción

Puede que sepas que tu cuerpo está hecho de células, pero ¿sabías que tus células tienen células dentro de ellas?
Bueno...tal vez esa no sea la mejor manera de decirlo. Pero es cierto que tus mitocondrias, los organelos que obtienen energía de las moléculas combustibles, probablemente se originaron como bacterias aerobias (que usan oxígeno) de vida libre, las cuales fueron engullidas por células más grandes. Sip, ¡tienes descendientes de mini bacterias viviendo en tus células ahora mismo!
¿Suena demasiado increíble para ser verdad? ¡Sigue leyendo! En este artículo daremos un vistazo a las mitocondrias, así como a otros dos tipos de orgánulos: los cloroplastos y los peroxisomas. Veremos qué hacen estos organelos y también evaluaremos las pruebas de su origen como bacterias de vida libre.

Mitocondrias

A las mitocondrias (singular mitocondria) a menudo se les llama las centrales eléctricas o las fábricas de energía de la célula debido a que son las responsables de producir trifosfato de adenosina (ATP), la molécula energética principal de la célula. Al proceso de producir ATP a partir de la energía química que se encuentra en la glucosa y otros nutrientes se le llama respiración celular y los pasos que requieren oxígeno se llevan a cabo dentro de las mitocondrias. Las mitocondrias se encuentran suspendidas en el gelatinoso citosol al interior de la célula.
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)
Las mitocondrias son organelos ovalados con dos membranas: una externa que rodea a todo el orgánulo y una interna, con muchas invaginaciones (pliegues internos) llamadas crestas que maximizan su área superficial. Aunque hace mucho se pensaba que las crestas eran amplios pliegues ondulados, como los que se ven en el diagrama de la derecha, actualmente se piensa que son más como largas cavernas que se extienden hacia el interior de la mitocondria.
Image credit: "MitochondrionCAM," by Carmann (public domain).
Al espacio entre las dos membranas se le llama espacio intermembranoso, mientras que al compartimiento dentro de la membrana interna se le conoce como matriz mitocondrial. La matriz contiene ADN y ribosomas mitocondriales, los cuales se asemejan a los de las bacterias y proporcionan pruebas del origen de las mitocondrias a partir de procariontes de vida libre.
La estructura de compartimientos múltiples de la mitocondria puede parecer complicada, pero resulta bastante útil para la respiración celular, ya que permite que las reacciones se lleven a cabo en diferentes compartimientos y que las distintas concentraciones de moléculas se mantengan en regiones diferentes.
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, start superscript, plus, end superscript) 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.
Electrons from fuel molecules, such as the sugar glucose, are stripped off in reactions that take place in the cytosol and in the mitochondrial matrix. These electrons are captured by special molecules called electron carriers and deposited into the electron transport, a series of proteins embedded in the inner mitochondrial membrane. As the electrons move down the transport chain, energy is released and used to pump protons (H, start superscript, plus, end superscript) out of the matrix and into the intermembrane space. As protons flow back down their gradient and into the matrix, they pass through an enzyme called ATP synthase, which harnesses the flow of protons to generate ATP from ADP and Pi.
Image modified from "Etc4" by Fvasconcellos (public domain).
Aunque las mitocondrias se encuentran en casi todos los tipos de células humanas (así como en la mayoría de las células de otros animales y de las plantas), su número varía de acuerdo a la función de la célula y sus necesidades energéticas. Por ejemplo, las células musculares normalmente tiene altos requerimientos de energía y tienen grandes cantidades de mitocondrias, mientras que los glóbulos rojos que están altamente especializados en el transporte de oxígeno, carecen de ellasstart superscript, 1, end superscript.

Cloroplastos

Como las mitocondrias, los cloroplastos tienen sus propios ADN y ribosomas, así como una estructura de compartimientos compleja. Funcionalmente hablando, sin embargo, están en el extremo opuesto del espectro. Los cloroplastos se encuentran en las plantas y en las algas fotosintéticas (protistas), y su trabajo es llevar a cabo la fotosíntesis.
Durante el proceso de fotosíntesis, la energía luminosa se recoge y se usa para sintetizar azúcares a partir del dióxido de carbono; se libera oxígeno como producto secundario. Los azúcares producidos en la fotosíntesis pueden ser utilizados por la célula vegetal o consumidos por animales que comen plantas, como los humanos. La energía dentro de estos azúcares se obtiene mediante la respiración celular, la cual se realiza en las mitocondrias de las células vegetales y animales.
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)
Los cloroplastos son organelos en forma de disco y, como las mitocondrias, presentan membranas interna y externa con un espacio intermembranoso entre ellos. Si pasaras a través de las dos capas de membrana y llegaras al espacio en el centro, encontrarías que contiene unos discos llamados tilacoides, organizados en pilas interconectadas llamadas grana (en sigunlar granum).
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 fluido alrededor de los tilacoides (esto es, la cavidad principal del cloroplasto) se llama estroma.
Aprende más acerca de los cloroplastos, la clorofila y la fotosíntesis en la sección sobre fotosíntesis

La teoría de la endosimbiosis

Como se mencionó anteriormente, exiten pruebas de que las mitocondrias y los cloroplastos se originaron a partir de procariontes de vida libre con características metabólicas útiles (respiración aerobia y fotosíntesis, respectivamente) que se convirtieron en simbiontes de las células más grandes que los engulleron e incorporaron. Esta idea se conoce como la teoría de la endosimbiosis.
Se piensa que el primer evento de incorporación sucedió hace unos 1,800 millones de años, dando lugar al ancestro de todas las células eucariontes actualesstart superscript, 2, end superscript. Luego, una de las descendientes de estas células ancestrales engulló un procariota fotosintético (hace entre 600 y 1500 millones de años atrás), lo que dio lugar al ancestro de las células con cloroplastosstart superscript, 3, end superscript.
Entre las pruebas que apoyan la teoría de la endosimbiosis se encuentranstart superscript, 4, end superscript:
  • Las bacterias, las mitocondrias y los cloroplastos son de tamaño similar
  • Las mitocondrias y los cloroplastos tienen sus propios ADN y ribosomas
  • El ADN y los ribosomas de las mitocondrias y los cloroplastos son similares a los de las bacterias
  • Los cloroplastos y las mitocondrias se dividen independientemente de la célula que los contiene, mediante un proceso parecido a la fisión binaria bacteriana
En el transcurso de los millones de años desde que sus ancestros procariontes fueron incorporados, las mitocondrias y los cloroplastos se volvieron dependientes de los genes en el núcleo para su funcionamiento y replicación. Así que, aunque se originaron como bacterias de vida libre, ¡no podrían simplemente tomar sus cosas e irse el día de hoy!

Peroxisomas

Algunos investigadores sugieren que otro tipo de orgánulo, el peroxisoma, podría tener un origen endosimbiótico también. Aunque las pruebas más recientes sugieren que los peroxisomas probablemente no tienen un origen endosimbiótico, la cuestión sigue siendo ampliamente debatida por la comunidad científicastart superscript, 5, end superscript.
Sin importar su origen, los peroxisomas son esenciales para la función celular. El peroxisoma es un orgánulo pequeño y redondo que contiene enzimas que llevan acabo reacciones de oxidación. Estas reacciones rompen los ácidos grasos y también descomponen algunas sustancias tóxicas que entran al cuerpo. Por ejemplo, el alcohol se degrada en los peroxisomas que se encuentran en las células del hígado.
Muchas de las reacciones de oxidación que se llevan a cabo en el peroxisoma liberan peróxido de hidrógeno, H, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 2, end subscript, el cual generalmente es dañino para las células. Sin embargo, cuando estas reacciones están confinadas dentro de los peroxisomas, las enzimas dentro de este pueden degradar el H, start subscript, 2, end subscript, O, start subscript, 2, end subscript de manera segura en oxígeno y agua.

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. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). The first eukaryotes (Los primeros eucariontes). En Campbell biology (Biología de Campbell) (10° ed., págs. 528-529). San Francisco, CA: Pearson.
  3. McFadden, G. I. y van Dooren, G. G. (2004). Evolution: Red algal genome affirms a common origin of all plastids (Evolución: el genoma de las algas rojas confirma el origen común de todos los plastos). Current Biology, 14(13), R514-R516.
  4. Gabaldón, T., Snel, B., van Zimmeren, F., Hemrika, W., Tabak, H., y Huynen, M. A. (2006). Origin and evolution of the peroxisomal proteome (Origen y evolución del proteoma del peroxisoma). Biology direct, 1, 8. http://dx.doi.org/10.1186/1745-6150-1-8.
  5. Symbiogenesis (Simbiogénesis). (6 de junio, 2016). Toamdo de Wikipedia el 20 de julio, 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.

Referencias complementarias:

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