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CONCEPTOS QUE DEBE ADQUIRIR
- La mitocondria y el cloroplasto son organelos celulares de origen endosimbiótico.
- La estructura y función de las membranas externa e interna de la mitocondria y cloroplasto son diferentes, variando principalmente en su permeabilidad y su constitución protéica y lipídica.
- Existe una gran variedad de mecanismos de transporte para el ingreso y salida de moléculas a través de la membrana interna de los dos organelos.
- En el interior de la matriz mitocondrial y en el estroma del cloroplasto se encuentra el ADN y el conjunto de ribosomas para síntesis de sus propias proteínas.
- La mitocondria y el cloroplasto realizan procesos metabólicos catabólicos como anabólicos.
- Los organelos celulares en eucariontes capaces de capturar y transformar la energía son la el cloroplasto y la mitocondria
INTRODUCCIÓN
Es un hecho conocido que para realizar los procesos básicos de crecer, mantenerse, evolucionar y reproducirse, entre otros, los seres vivos requieren de un metabolismo que les aporte biomoléculas y energía química (ATP) la cual no es almacenable por lo que debe ser capturada y/o transformada. Para tal efecto algunas membranas biológicas se especializaron generando individuos o compartimentos aptos evolutivamente a las condiciones ambientales iniciales (procariotes) y posteriormente organelos específicos en los eucariotes. A partir de estos planteamientos surge la necesidad de preguntarnos ¿ Cuales son y que características poseen los organelos celulares considerados como las unidades básicas transductoras de energía?. Discusión que se desarrolla en el taller.
MARCO TEÓRICO
ORIGEN DE LA MITOCONDRIA La mitocondria es un organelo celular eucariótico cuyo origen es explicado por la teoría endosimbiótica según la cual se generó las células eucariotas incorporando una Eubacteria en una Arqueobacteria (ancestro de la célula eucariota) por endocitosis, viviendo en simbiosis. El proceso que condujo al desarrollo de las mitocondrias, se produjo cuando el oxígeno apareció en la atmósfera en cantidades importantes, pues los procariotas primitivos en estado libre debían adaptarse y evolucionar en su maquinaria enzimática para la fosforilación oxidativa (capaces de realizar metabolismo aeróbico).
Las evidencias del origen bacteriano de las mitocondrias se fundamenta entre otros en el hecho de que poseen su propio ADN, ribosomas y RNA de transferencia, además
ASIGNATURA BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA CELULAR ID 001367 UNIDAD 3 ESTRUCTURA Y FUNCION CELULAR. TEMA3.5 SISTEMAS TRANSDUCTORES DE ENERGIA
RESPONSABLE SANDRA CRISTINA PAEZ, Ms. C.
de tener su sistema de división celular independiente con antecesores propios y el codificar genes de proteínas diferentes a los del núcleo celular, codificando así a proteínas específicas involucradas en los procesos que transcurren en su interior tales como la fosforilación oxidativa y el transporte de electrones entre otros. Análisis de 16S rRNA indican que se relaciona con eubacterias y posee un ancestro común con las Riquetsias (parásitos intracelulares).
ARQUITECTURA MITOCONDRIAL
Son estructuras de aproximadamente 0.5 –1 μm en diámetro y 7μm de largo, con forma esférica, de varilla o filamento, su forma y número por célula depende del tejido en particular dependiendo de los requerimientos en energía.
Las mitocondrias poseen dos membranas una externa y una interna, separadas por un espacio intermembranal, son muy distintas en apariencia y propiedades fisicoquímicas, al igual que en su función bioquímica. Se caracterizan por su diferencia en cantidad y composición de fosfolípidos y proteínas. La membrana interna encierra y cubre un compartimento denominado matriz (mitocitoplasma), formando crestas para asegurar una mayor superficie al interior del organelo. En este espacio se realizan procesos importantes de oxidaciones biológicas (todas excepto la glicólisis), por esta razón se explica su riqueza de enzimas en su Interior.
Dependiendo del aspecto de su membrana interna en la formación de crestas se clasifican como: mitocondria con crestas comunes como protuberancias, mitocondrias del tipo tubular (en células que sintetizan los esteroides), del tipo prismático (en astrositos de ratas), y del tipo sacular (glándula suprarenal), esta variación se sustenta en la función específica de célula y su requerimiento energético.
La membrana externa es permeable deja pasar moléculas inferiores de 10.000 Dalton pues posee proteínas de transporte como las porinas que forman grandes canales iónicos que a traviesan la doble capa lipídica, permite el paso de iónes por difusión hacia el espacio intermembranal. Una vez allí las sustancias que ingresan al interior de la matriz son seleccionadas por la membrana interna , ya que ésta es impermeable a iónes puesto que posee una gran cantidad de lípidos como difosfatidilglicerol conocido como cardiolipina (característica de las bacterias gram negativas), que al igual que otros lípidos de membrana son importados desde el retículo endoplásmico.
¿Por qué razón la membrana interna mitocondrial es impermeable? ¿Para qué utiliza esta estrategia la célula?
Para el ingreso de sustancias al interior de la matriz mitocondrial se necesita de transportadores de iónes sofisticados tales como: proteínas carriers de mono, di y tricarboxilatos y lanzaderas de Aspartato-Glutamato, entre otros, además posee sistemas antiporte enclavados, permitiendo el flujo de aniones entre el espacio intermembranal y la matriz
En general se puede afirmar que las proteínas constitutivas de esta membrana tienen tres tipos de funciones:
- Realizar y regular el ingreso y salida de metabolitos para grantizar el gradiente de protones a través de la membrana utilizado para síntesis de ATP.
- Catalizar las reacciones de oxidaciones biológicas.
La matriz contiene gran cantidad de enzimas necesarias para los procesos oxidativos (catabólicos), que realiza la mitocondria entre los que se cuentan: oxidación de carbohidratos, ácidos grasos y algunos aminoácidos, a partir de los cuales se utilizan métodos más potentes y eficaces de extraer energía de las moléculas nutritivas, mediante la utilización del ciclo de krebs y la fosforilación oxidativa, además allí se genera productos vitales para procesos biosintéticos tales como el oxalacetato y el αcetoglutarato entre otros que salen del citosol.
¿Qué procesos metabólicos de catabolismo y anabolismo realiza la mitocondria?
En la matriz mitocondrial se encuentran el ADN propio y los ribosomas por lo que puede sintetizar sus propias proteínas. El ADN es circular esta formando unas estructuras llamadas nucleoides, los que pueden contener 4-5 copias de mtADN cada una de ellas posee 37 genes que codifican para 13 proteínas estructurales de la vía fosforilación oxidativa, esto en animales. Las mitocondrias se duplican igual que las bacterias por fisión, Para finalizar se puede decir que la mitocondria cumple con varios papeles importantes en el metabolismo tanto catabólico como anabólico, su análisis a generado grandes avances científicos como lo es el estudio de la apoptosis y el envejecimiento celular, entre otros.
Como este organelo juega un papel central en la obtención de la energía celular es estudiado en fisiología celular, fisicoquímica, en biología evolutiva y en medicina molecular, actualmente se orientan los estudios al problema de la obesidad en el análisis del tejido adiposo pardo. Por último es importante resaltar que el estudio de la ATPsintasa realizado por Paul Boyer y John Walter fue galardonado en 1997 con el premio Nobel en ciencias biológicas.
EL CLOROPLASTO
ORIGEN Las condiciones iniciales al respecto realizadas anteriormente con la mitocondria son válidas también para los cloroplastos, los estudios estructurales, bioquímicos y moleculares demuestran que los cloroplastos de todos los organismos fotosintéticos eucariotes se derivan de las cianobacterias, endocitadas probablemente posteriormente a lo realizado con la mitocondria (según teoría endosimbiótica de L. MARGULIS), generando un huésped autótrofo total que logra vivir a partir de los elementos minerales y de la captura de la energía lumínica del entorno.
ARQUITECTURA DEL CLOROPLASTO Miden 5 a 10 μm de largo y 1 μm de ancho, tienen apariencia de color verde y forma ovoide o lenticular, son muy numerosos en la célula dependiendo del tipo y de las condiciones de crecimiento. La membrana externa le sirve de envoltura encerrando un compartimento acuoso llamado estroma , que contiene en su interior un conjunto de sistemas membranosos muy especializados constituidos por la membrana interna; allí se encuentra el DNA y el RNA, las enzimas necesarias para su síntesis y los ribosomas, pigmentos, gránulos de almidón y lípidos, así como la enzima más abundante en la naturaleza la Ribulosa bisfosfato carboxilato (Rubisco).
La membrana interna conocida también como membrana tilacoidal es rica en glicolípidos y sus proteínas son enzimas que participan en la fotofosforilación, tales como proteínas pigmentarias captadoras de luz que conforman los fotosistemas y las
que realizan el transporte de electrones un ejemplo es la familia de los citocromos, de la misma forma posee las formadoras de energía como la ATP sintetasa, parecida a la mitocondrial. Esta membrana puede estar distribuida en forma de pliegues llamados lamelas que pueden estar aplanados y apilados formando lo que se denomina grana, o no lamelas estromales que se encargan de conectar el conjunto de granas formadas, en las que en su interior forman un compartimiento acuoso conocido como lúmen, que contiene un bajo contenido en proteínas que aportan al transporte de electrones como la plastocianina.
Las membranas del cloroplasto son ricas en caratenoides (pigmentos), sin embargo carecen de clorofila. En cuanto a su permeabilidad la membrana externa es muy permeable a iónes y metabolitos mientras que al igual que en la mitocondria la membrana interna no lo es, por lo que se utiliza transportadores específicos para el transporte de solutos.
¿Qué procesos metabólicos de catabolismo y anabolismo realiza el cloroplasto?
Al igual que en la mitocondria el cloroplasto posee toda la maquinaria parecida más o los procariotes que a los eucariotes para realizar replicación de su ADN (de mayor tamaño que el de la mitocondria), transducción y síntesis de proteínas, sin embargo codifica para relativamente pocas, por lo que sus proteínas son codificadas en el genoma nuclear y sintetizadas en los ribosomas citosólicos, por lo que poseen una secuencia peptídica de marcaje que facilita su direccionamiento al organelo, su transporte requiere de gasto de energía celular. Su reproducción se realiza por elongación seguida por una simple bipartición semejante al de la mitocondria y por ende a las bacterias.
Las mitocondrias y los cloroplastos son los organelos de transducción de energía metabólica. Prácticamente todas las células eucariontes contienen mitocondrias, mientras que los cloroplastos están restringidos a las plantas.
BIBLIOGRAFÍA
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MADIGAN, M., MARTINKO, J. and PARKER, J. Brock, Biología de los microorganismos. Ed. Prentice Hall Iberia. 8ª ed. Madrid. 1999.
STEFAN, K. Mitochondria: structure and role in respiration. Encyclopedia of life sciences.2001 Nature publishing group.
Realice una tabla comparativa entre la mitocondria y el cloroplasto que contenga: Dibujo indicando sus partes constitutivas, características generales, compartimentos,, procesos bioquímicos que realiza y organismos donde se pueden entrar.
