Mitocondrias como orgánulo del metabolismo energético
Las mitocondrias son orgánulos de doble membrana capaces de modificar su cantidad y forma según las necesidades energéticas de la célula. En las células del músculo esquelético, las mitocondrias son alargadas y presentan un gran número de crestas; en las células poco activas, son pequeñas y redondeadas, con un número moderado de crestas. Al disminuir la actividad física, la cantidad de mitocondrias disminuye, y al reanudar el ejercicio, aumenta.
La estructura de la mitocondria incluye:
- Membrana externa, lisa y de estructura similar a la plasmática;
- Membrana interna, plegada, que forma las crestas; construida a modo de alfombra lipoproteica con un denso entrelazado de proteínas y lípidos, lo que garantiza su baja permeabilidad;
- Sitios de contacto, zonas de unión entre membranas con una gran cantidad de proteínas enzimáticas, incluidos los cuerpos pedunculados o ATP sintasas;
- Espacio intermembrana, que contiene, entre otros, el citocromo c, implicado en la apoptosis;
- Matriz, con su propio ADN circular, ribosomas, enzimas e iones.
Teoría simbiótica del origen
Según la teoría simbiótica, las mitocondrias se originaron a partir de una bacteria aerobia fagocitada por una célula anaerobia fagocítica de mayor tamaño. La membrana adicional se formó mediante fagocitosis. A favor de esta teoría se encuentran: la presencia de un ADN circular propio, similar al bacteriano; sus propios ribosomas; y la capacidad de división independiente —por gemación o estrangulamiento— sin intervención del control nuclear.
Moléculas ricas en energía
La energía se almacena en los enlaces de alta energía. La principal molécula es el ATP (trifosfato de adenosina): compuesto por la base nitrogenada adenina, ribosa y tres grupos de ácido fosfórico. Los enlaces de alta energía se encuentran entre los fosfatos. Durante la desfosforilación, se escinde un grupo fosfato y se libera energía: ATP → ADP → AMP. El AMP ya no contiene enlaces de alta energía.
También se utiliza la coenzima A (HS-CoA): al unirse un radical se forma acil-CoA, y al unirse un grupo CH₃ se forma el acetil-CoA, un sustrato clave del ciclo de Krebs.
Etapas preparatoria y anaerobia
La etapa preparatoria se desarrolla en el aparato digestivo y concluye en el intestino delgado. Las lipasas, proteasas, nucleasas y glucosidasas descomponen los biopolímeros en monómeros: aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos y nucleótidos. Toda la energía liberada se disipa en forma de calor y no se almacena ATP.
La etapa anaerobia (glucólisis) se produce en el hialoplasma. A partir de una molécula de glucosa (6 átomos de carbono), mediante 10 reacciones enzimáticas, se forman 2 moléculas de ácido pirúvico (piruvato, de 3 carbonos cada uno). El balance neto de la glucólisis es: 2 ATP + 2 NADH + 2 piruvatos.
Los carbohidratos se utilizan en primer lugar para el metabolismo energético; las grasas y, en mayor medida, las proteínas se emplean en último lugar, ya que tienen una función plástica. En ausencia de oxígeno, el piruvato se convierte reversiblemente en lactato (ácido láctico), lo que explica el dolor muscular tras un esfuerzo intenso. La acumulación excesiva de lactato conduce a un estado patológico denominado lactacidosis.
Etapa aerobia: fase intermedia y ciclo de Krebs
La etapa aerobia comprende tres fases: la fase intermedia, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.
En la fase intermedia, el piruvato se transporta a la matriz mitocondrial; durante este proceso se libera CO₂, se reduce el NAD⁺ a NADH y se forma acetil-CoA. A partir de una glucosa se obtienen 2 acetil-CoA y 2 NADH.
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz. El acetil-CoA transfiere su grupo de dos carbonos al oxalacetato (4C) para formar citrato (6C). Mediante una serie de reacciones de descarboxilación y oxidación, el ciclo regenera el oxalacetato. Por cada vuelta se producen:
- 3 moléculas de NADH;
- 1 molécula de FADH₂;
- 1 molécula de GTP (equivalente energético al ATP);
- 2 moléculas de CO₂.
Por cada glucosa se producen 2 vueltas del ciclo.
Fosforilación oxidativa y balance de ATP
La cadena de transporte de electrones se localiza en la membrana interna mitocondrial y está compuesta por complejos proteicos. El NADH cede hidrógenos al complejo I (NADH deshidrogenasa), y el FADH₂ al complejo II. Los electrones se transportan a lo largo de la membrana a través de la coenzima Q y el citocromo c hasta los complejos III y IV; su energía se utiliza para bombear protones hacia el espacio intermembrana. En el complejo IV, los electrones se combinan con el oxígeno para formar agua.
El gradiente de protones generado pone en marcha la ATP sintasa: los protones regresan a la matriz a través del canal del enzima, lo que impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.
Rendimiento energético:
- 1 NADH → 3 ATP;
- 1 FADH₂ → 2 ATP;
- 1 GTP → 1 ATP.
Balance por etapas a partir de una molécula de glucosa:
- Etapa preparatoria: 0 ATP;
- Glucólisis: 2 ATP + 2 NADH (6 ATP) = 8 ATP;
- Fase intermedia: 2 NADH = 6 ATP;
- Ciclo de Krebs (×2): 6 NADH (18) + 2 FADH₂ (4) + 2 GTP (2) = 24 ATP.
Rendimiento total: 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Durante la oxidación de ácidos grasos, el rendimiento energético es mayor; sin embargo, el organismo prefiere utilizar carbohidratos, reservando las grasas y proteínas para funciones plásticas y reguladoras.
Puntos clave
- Las mitocondrias son orgánulos de doble membrana con su propio ADN y ribosomas, lo que respalda la teoría simbiótica de su origen.
- La energía se almacena en los enlaces de alta energía del ATP; el sustrato intermediario clave es el acetil-CoA.
- El metabolismo energético consta de tres etapas: preparatoria (calor), anaerobia (glucólisis) y aerobia.
- La glucólisis se desarrolla en el hialoplasma y produce 2 ATP, 2 NADH y 2 ácidos pirúvicos.
- El ciclo de Krebs ocurre en la matriz mitocondrial: en 2 vueltas se obtienen 6 NADH, 2 FADH₂ y 2 GTP.
- La cadena de transporte de electrones genera un gradiente de protones que la ATP sintasa utiliza para sintetizar ATP.
- 1 NADH = 3 ATP, 1 FADH₂ = 2 ATP; rendimiento total de 38 ATP por molécula de glucosa.
- En ausencia de oxígeno, el piruvato se convierte en lactato; la acumulación patológica de lactato provoca lactacidosis.