thumb|250px|Imagen obtenida por microscopía electrónica del tejido pulmonar de un mamífero, donde se visualizan dos mitocondrias. miniatura |250px |Reconstrucción 3D de la estructura interna. Las mitocondrias son orgánulos celulares eucariotas encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular a través del proceso denominado respiración celular. Actúan como centrales energéticas de la célula y sintetizan ATP a partir de los combustibles metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos). Llevan a cabo su síntesis de ácidos grasos (mtFASII), esencial para la biogénesis mitocondrial y la respiración celular. La mitocondria presenta una membrana exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipéptidos. Eso se debe a que contiene proteínas que forman poros llamados porinas (canal aniónico dependiente de voltaje VDAC), que permiten el paso de moléculas de hasta 5 kDa de masa y un diámetro aproximado de 2 nm. Existen enfermedades mitocondriales que son desórdenes resultantes de la deficiencia de una o más proteínas mitocondriales involucradas en el metabolismo, de tipo congénito o bien adquirido, por drogas, infecciones o causas ambientales.
Descubrimiento de la mitocondria El descubrimiento de las mitocondrias fue un hecho colectivo. El gran número de términos que se refieren a este orgánulo es prueba de ello: blefaroplasto, condrioconto, condriomitos, condroblastos, condriosomas, condriosferas, fila, gránulos fucsinofílicos, Korner, Fadenkörper, mitogel, cuerpos parabasales, vermículas, sarcosomas, cuerpos intersticiales, plasmosomas, plastocondrios, bioblastos. Cowdry intentó en 1918 sistematizar y unificar todos los términos.
Es probable que las primeras observaciones se deban al botánico suizo Albert von Kölliker, quien entre 1880 y 1888 anotó la presencia de unos gránulos en células musculares de insectos a los que denominó sarcosomas. Llegó incluso a la conclusión de que presentaban membrana. En 1882, el alemán Walther Flemming descubrió una serie de inclusiones a las que denominó fila. En 1884 también fueron observados por Richard Altmann, quien más tarde en su obra publicada en Leipzig Die Elementarorganismen describe una serie de corpúsculos que observa mediante una tinción especial que incluye fucsina. Especula que se trata de una suerte de parásitos independientes, con su propio metabolismo y los denomina bioblastos. El hallazgo fue rechazado como un artefacto de la preparación, y solo más tarde fue reconocido como mitocondrias por N. H. Cowdry (en Estados Unidos, en 1916). También los «plastídulos» del protozoólogo italiano Leopoldo Maggi podrían tratarse de observaciones tempranas de mitocondrias.
Sin embargo, el nombre de mitocondria, que alcanzó mayor fortuna, se debe a Carl Benda, quien en 1889 denominó así a unos gránulos que aparecían con gran brillo en tinciones de cristal violeta y alizarina, y que antes habían sido denominados «citomicrosomas» por Velette St. George. En 1904 F. Meves confirma su presencia en una planta, en concreto en células del tapete de la antera de Nymphaea, y en 1913 Otto Heinrich Warburg descubre la asociación con enzimas de la cadena respiratoria, aunque ya Kingsbury, en 1912, había relacionado estos orgánulos con la respiración celular. En 1934 fueron aisladas por primera vez a partir de homogeneizados de hígado y en 1948 Hogeboon, Schneider y Palade establecen de forma definitiva la mitocondria como el lugar donde se produce la respiración celular.
La presencia del ADN mitocondrial fue descubierta por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass en 1963.Nass, M.M. & Nass, S. (1963, en el Instituto Wenner-Gren de Biología Experimental de la Universidad de Estocolmo): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (PDF). En: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593–629. PMID 14086138
Estructura y composición thumbnail|300px|Estructura ideal de una mitocondria
La morfología de la mitocondria es difícil de describir, puesto que son estructuras muy plásticas que se deforman, se dividen y fusionan. Lo normal es que se las represente de forma alargada. Su tamaño oscila entre de diámetro y hasta 8μm de longitud. Su número depende de las necesidades energéticas de la célula.J Appl Physiol (1985). 2012 Oct 25;114(2):161–171. doi: 10.1152/japplphysiol.01096.2012 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3544498/ Mitochondrial morphology, topology, and membrane interactions in skeletal muscle: a quantitative three-dimensional electron microscopy study Martin Picard ; Kathryn White , Douglass M Turnbull
Al conjunto de las mitocondrias de la célula se le denomina condrioma celular.
Las mitocondrias están rodeadas de dos membranas claramente diferentes en sus funciones y actividades enzimáticas, que separan tres espacios: el citosol (del citoplasma), el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial.
Membrana externa
Es una bicapa lipídica exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipéptidos. Eso se debe a que contiene proteínas que forman poros, llamadas porinas (canal aniónico dependiente de voltaje VDAC), que permiten el paso de grandes moléculas de hasta 5000 daltons y un diámetro aproximado de 20 Å. La membrana externa realiza relativamente pocas funciones enzimáticas o de transporte. Contiene entre un 60 y un 70% de proteínas.
Membrana interna
miniatura |300px |Membrana Interna y Cresta. CJ base; CJ neck; C sheet; C tip. La membrana interna contiene más proteínas (80 %) de su composición, carece de poros y es muy selectiva; contiene muchos complejos enzimáticos y sistemas de transporte transmembrana, que están implicados en la translocación de moléculas.
Crestas mitocondriales
thumb |izq |300px |Crestas tubulares (en azul) y crestas laminares lamelae (en amarillo). Reconstrucción 3D de mitocondria. Microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocado (FIB-SEM).
Las curvas (convolutas) de las crestas son una característica estructural y funcional crítica para las mitocondrias. La estructura de la cresta es muy diversa entre los diferentes tipos de células, lo que refleja su papel en la adaptación metabólica.
En la mayoría de las eucariotas, las crestas forman seudo-tabiques, en lo habitual, aplanados, más o menos perpendiculares al eje de la mitocondria. En algunos protistas tienen forma tubular o discoidal. Estudios recientes demostraron que la membrana de las crestas no se forma por invaginación de la membrana interna, sino que conforman un sistema membranoso aparte de la membrana interna y la externa. Se conectan a la membrana interna en puntos concretos que facilitan el transporte de metabolitos entre los distintos compartimentos de la mitocondria. Las crestas en casi todas las mitocondrias no son simplemente pliegues en la membrana interna. Son compartimentos variables en tamaño y forma (pleomórficos), una mezcla distinta de estructuras tubulares y cisternas más grandes, generalmente lamelares.
Las crestas son pliegues especializados de la IMM, donde se localiza todo el conjunto de complejos macromoleculares que forman la cadena de transporte de electrones (ETC) y la fosforilación oxidativa (OxPhos). En la membrana de las crestas se llevan a cabo funciones relacionadas con el metabolismo oxidativo como la cadena respiratoria o la fosforilación oxidativa. La cadena de transporte de electrones, compuesta por cuatro complejos enzimáticos fijos y dos transportadores de electrones móviles: Complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido (FMN). Complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q o ubiquinona. Complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c. Complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua. Un complejo enzimático, el canal de H+ ATP sintasa que cataliza la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa). Proteínas transportadoras que permiten el paso de iones y moléculas a través de ellas, como ácidos grasos, ácido pirúvico, ADP, ATP, O2 y agua; pueden destacarse: Nucleótido de adenina translocasa. Se encarga de transportar a la matriz mitocondrial el ADP citosólico formado durante las reacciones que consumen energía y, paralelamente, transloca hacia el citosol el ATP recién sintetizado durante la fosforilación oxidativa. Fosfato translocasa. Transloca fosfato citosólico junto con un hidrón a la matriz; el fosfato es esencial para fosforilar el ADP durante la fosforilación oxidativa.
Espacio intermembranoso Entre ambas membranas OMM-IMM queda delimitado el espacio intermembranoso (IMS) que ocupa también el interior de las crestas. El IMS está compuesto de un líquido similar al hialoplasma; tiene una alta concentración de protones como resultado del bombeo de los mismos por los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria. En el espacio IMS se localizan diversas enzimas que intervienen en la transferencia del enlace de alta energía del ATP, como la adenilato kinasa o la creatina quinasa. También se localiza la carnitina, una molécula implicada en el transporte de ácidos grasos desde el citosol hasta la matriz mitocondrial, donde serán oxidados (beta-oxidación).
Matriz mitocondrial
La matriz mitocondrial (MM) o mitosol de densidad variable, es el compartimiento dentro del que se proyectan las crestas. La MM contiene en suspensión moléculas, iones, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario, ribosomas tipo 55S (70S en vegetales), llamados mitorribosomas, que realizan la síntesis de algunas proteínas mitocondriales, y contiene ARN mitocondrial; es decir, tienen los orgánulos que tendría una célula procariota de vida libre. En la matriz mitocondrial tienen lugar diversas rutas metabólicas clave para la vida, como el ciclo de Krebs y la beta-oxidación de los ácidos grasos; también se oxidan los aminoácidos y se localizan algunas reacciones de la síntesis de urea y grupos hemo.
Función La principal función de las mitocondrias es la oxidación de metabolitos (ciclo de Krebs, beta-oxidación de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP celular, aunque la mitocondria no forma parte de la estructura original de la célula eucariota. En realidad, las mitocondrias son orgánulos que se originaron a partir de bacterias que establecieron una relación simbiótica con las células eucariotas sintetizado por la célula. También sirve de almacén de sustancias como iones, agua y algunas partículas como restos de virus y proteínas.
La optimización de la capacidad metabólica de las mitocondrias requiere la convolución de la membrana mitocondrial interna (IMM) en forma de crestas. Las crestas son pliegues especializados donde se localiza el conjunto de los 5 complejos macromoleculares correspondientes a la cadena de transporte de electrones y a la fosforilación oxidativa. Dado que el estrecho compartimento de las crestas representa un cuello de botella importante para la difusión de iones y metabolitos, el control adecuado de la estructura de las crestas es importante para la homeostasis metabólica.
El tamaño y la morfología de la cresta influyen en la difusión interna de solutos y en el área de superficie de la membrana interna, que alberga proteínas de membrana críticas, incluida la ATP sintasa y los complejos de la cadena de transporte de electrones; transportadores de metabolitos e5 iones, incluida la translocasa de nucleótidos de adenina, el uniportador de calcio (MCU) y el intercambiador de sodio/calcio (NCLX); y muchos más
Síntesis mitocondrial de ácidos grasos La síntesis mitocondrial de ácidos grasos (mtFASII) es esencial para la respiración celular y la biogénesis mitocondrial. También se cree que desempeña un papel como mediador en la comunicación intracelular debido a su influencia en los niveles de lípidos bioactivos como los lisofosfolípidos y los esfingolípidos.