Del citosol a las mitocondrias y los cloroplastos

Los ácidos grasos son biomoléculas de gran importancia para prácticamente todos los seres vivos, ya que a partir de ellos se pueden sintetizar diversos componentes celulares; como el colesterol y los fosfolípidos de las membranas de organelos y de la propia célula, así como los sustratos (por ejemplo, conversión a acetil CoA) usados en el ciclo de Krebs y el catabolismo energético dentro de las mitocondrias. Mucho de éstos ácidos grasos los obtenemos con la dieta, pero una parte importante también es sintetizada de novo dentro de las células de ciertos tejidos. Los ácidos grasos al ser ingeridos son tratados en las diferentes secciones del tracto intestinal como preparación para su absorción, que es un proceso efectuado por distintas reacciones bioquímicas. Lo más inmediato e importante, es hacerlos solubles para poderlos ingresar a los diversos procesos, y cortarlos en fragmentos más pequeños, luego son distribuidos por la sangre a otros tejidos y órganos, como el hígado. En varios tipos celulares, tanto los ácidos grasos obtenidos de la dieta, una vez convertidos en sustancias más asimilables, como los fabricados de novo, permanecen en el citosol para ser usados en la producción de membranas celulares y energía. Sin embargo, el transporte de los lípidos desde el citosol a las mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas no conlleva el mismo mecanismo que otras sustancias, como se explica en el siguiente apartado.

Tráfico vesicular

En las células eucariotas existen una serie de compartimentos delimitados por membranas que forman lo que se conoce como organelos. Cada organelo celular está especializado en una o varias funciones. Por ejemplo, el retículo endoplasmático es un gran productor de moléculas, mientras que el aparato de Golgi modifica esas moléculas, sintetiza glúcidos y los reparte a otros organelos; los lisosomas que funcionan como centros de degradación; o las mitocondrias y los cloroplastos que son grandes centrales energéticas, etcétera. En general, la necesaria comunicación entre los organelos está mediada por vesículas, que transportan las moléculas en su interior o integradas en sus propias membranas. A este conjunto de comunicaciones se les denomina tráfico vesicular.

Hay dos grandes rutas de comunicación entre los organelos:

1) una se inicia en el retículo endoplasmático, que envía vesículas al aparato de Golgi; éste las turna a la membrana plasmática en el proceso denominado exocitosis, que es la ruta exportadora, es decir, la que liberará al exterior las moléculas producidas por la célula;

2) la otra es la ruta importadora, y comienza en la membrana plasmática, donde se forman vesículas por un proceso denominado endocitosis, que luego se fusionan con los endosomas, que terminan convirtiéndose en lisosomas para degradar las moléculas incorporadas del medio extracelular.

Sin embargo, las mitocondrias, los cloroplastos y los peroxisomas no reciben ni forman vesículas para comunicarse con otros organelos y están fuera de la ruta vesicular, pero tienen otros mecanismos de comunicación intracelular. En mitocondrias y peroxisomas, sus lípidos de membrana deben ser importados, y para ello utilizan los llamados transportadores de lípidos: para los glicerofosfolípidos existen unas proteínas solubles llamadas intercambiadoras de glicerofosfolípidos, que se encargan de moverlos a través del citosol desde la membrana del retículo endoplasmático liso hasta sus propias membranas. En las células de los tejidos fotosintéticos, los cloroplastos son los encargados de sintetizar sus propios glicerofosfolípidos y glucolípidos.

La incorporación de lípidos dietarios al citosol, y la síntesis de novo

Grasas, aceites y lípidos consisten en un gran número de compuestos orgánicos que incluyen ácidos grasos, monoacilgliceroles, diacilgliceroles, triacilgliceroles, fosfolípidos, dicosanoides, resolvinas, docosanoides, esteroles, ésteres de esterol, carotenoides, vitaminas A y B, alcoholes grasos, hidrocarburos y ésteres cerosos. Clásicamente, los lípidos fueron definidos como sustancias solubles en solventes orgánicos, pero esta definición ha sido cambiada a una que incluye un sistema de clasificación más adecuado. La nueva clasificación define a los lípidos como pequeñas moléculas hidrofóbicas, anfifílicas o anfipáticas que pueden originarse completamente o en parte de la condensación de unidades de tioésteres o isoprenos.

Existen tres maneras que las células tienen para la obtención de los lípidos que se necesitan para la producción de energía:

1) a partir de los ácidos grasos que proceden de grasas de la dieta

2) a partir de las grasas almacenadas en forma de gotitas de lípidos

3) grasas sintetizadas en un órgano y que se exportan a otro.

Los vertebrados, por ejemplo, movilizan las grasas almacenadas en tejidos especializados, y en el hígado convierten estas grasas en glúcidos para exportarlos a otros tejidos. Los triacilgliceroles almacenados son prácticamente la única fuente de energía utilizada por los animales hibernadores y las aves migratorias. Las plantas superiores, por su lado, movilizan grasas almacenadas en las semillas durante la germinación.

Antes de ser absorbidos en la pared intestinal y luego ser distribuidos a otras partes del cuerpo, los triacilgliceroles presentes en forma de partículas de grasa macroscópicas insolubles en agua deben convertirse a micelas microscópicas. Para que esto ocurra, se les añaden sales biliares como el ácido taurocólico, que actúan como detergentes, lo que facilita la acción de lipasas hidrosolubles que convierten a los triacilgliceroles en acilgliceroles y diacilgliceroles. Luego, estos, de nuevo como triacilgliceroles y junto al colesterol ingestado forman agregados lipoproteicos de nombre quilomicrones, que eventualmente pasan, junto a otras moléculas como lipoproteínas de baja densidad y de alta densidad, desde el intestino al sistema linfático, de ahí a la sangre, al músculo y al tejido adiposo. Los triacilgliceroles son hidrolizados por la lipoproteína lipasa para ser asimilados por las células no musculares o no adiposas.

Activación de los ácidos grasos en el citosol

Las enzimas de oxidación de los ácidos grasos en células animales se encuentran en la matriz mitocondrial, pero los ácidos grasos libres que penetran en el citosol no pueden pasar directamente a esta matriz a través de las membranas mitocondriales. Para entrar, deben experimentar una serie de tres reacciones enzimáticas. La primera es la catalizada por una familia de isozimas de la membrana mitocondrial externa, la acil-CoA sintetasa, que con ATP, produce acil graso-CoA, AMP y PPi. El acil graso-CoA es un compuesto de alta energía, con un DG°’ = -31 kJ/mol. Luego para por las reacciones de la L-carnitina que se describen abajo.

La carnitina y el intercambio mitocondrial

El sistema de la carnitina, formado por la L-carnitina, sus derivados, y las proteínas implicadas en la transformación y el transporte; es indispensable para el metabolismo de la glucosa y de los lípidos en las células. Dos funciones principales han sido identificadas para el sistema de la carnitina: facilitación de la entrada de ácidos grasos libres de cadena larga a las mitocondrias para su utilización en procesos de generación de energía, y facilitación de la eliminación de los ácidos de cadena corta y de cadena media que se acumulan como resultado del metabolismo normal y anormal en las mitocondrias. En el citoplasma celular, los ácidos grasos libres de cadena larga se unen a una molécula de coenzima A (acil-coA), la cual es impermeable a la membrana mitocondrial, por lo que necesita de la L-carnitina para formar un complejo permeable (acilcarnitina), bajo la acción de la enzima carnitina palmitoil transferasa I y otras que se explican a continuación.

Las enzimas que intervienen en la vía metabólica de la oxidación mitocondrial de los ácidos grasos son: las palmitil-transferasas de carnitina (CPT 1 y 2), la translocasa de carnitina-acilcarnitina (CACT), las deshidrogenasas de acetil-CoA (ACA-DH), la hidratasa de enoil-CoA, la deshidrogenasa de 3 hidroxi-acetil-CoA, la beta-cetotiolasa, la sintetasa de beta-hidroxi-beta-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) y la liasa de HMG-CoA.

La l-carnitina es sintetizada en el hígado a partir de la lisina, con grupos metilos terminales donados por la S-adenosil-metionina, mediante 4 pasos enzimáticos en los cuales intervienen 2 oxidasas y el ácido ascórbico como cofactor. Los 3 primeros pasos también se realizan en el músculo cardíaco y esquelético y el precursor inmediato gammabutirobetaína completa su hidroxilación únicamente en el hígado.

La l-carnitina como tal viaja a las células de tejidos, en el lado externo de la membrana mitocondrial, donde la enzima palmitoil transferasa 1 de carnitina (CPT1) elabora los ésteres de carnitina de los ácidos grasos, pasando estos al interior de la mitocondria, donde la CPT2 los separa de su transportador para ser utilizados en la beta-oxidación. Después de esto la carnitina regresa al citosol para el siguiente ciclo de transferencia de los ácidos grasos.

Captación de proteínas en mitocondrias y cloroplastos

La división de contenido de la célula en varios compartimentos representa un desafío de organización en cuanto a tráfico de proteínas. El tráfico de proteínas en una célula eucariota está regulado por:

1. Señales de clasificación (péptido señal de proteínas secretadas con el grupo manosa-fosfato de enzimas lisosómicas)

2. Receptores que reconocen estas señales y trasladan a las proteínas que las contienen a los compartimientos apropiados.

Cuatro principales organelos de la célula (mitocondria, peroxisomas, núcleo y cloroplasto), importan proteínas a través de una o varias membranas limitantes externas. Por ejemplo: en el retículo endoplasmático rugoso, las proteínas que importan estos organelos contienen secuencias de aminoácidos que sirven como "domicilios" que reconocen los receptores en la membrana externa del organelo. A diferencia del Retículo endoplasmático rugoso que casi importa sus proteínas al mismo tiempo de la traducción, las proteínas de estos otros organelos se importan después de la traducción, es decir, después de completar la síntesis en los ribosomas libres en el citosol.

Captación de proteínas en las mitocondrias

Las mitocondrias poseen cuatro compartimentos en los cuales pueden llegar las proteínas:

1. Una membrana mitocondrial externa (OMM)

2. Membrana mitocondrial interna (IMM)

3. Espacio intermembranoso

4. Matriz

Aunque las mitocondrias sintetizan unos cuantos polipéptidos integrales de membrana (13 en mamíferos), alrededor de 99% proteínas del organelo se codifica en el genoma nuclear, se sintetiza en el citosol y se importa después de la traducción. Esta descripción se enfocará a las proteínas de la matriz mitocondrial y a la membrana mitocondrial interna pues juntas constituyen la gran mayoría de las proteínas dirigidas a este organelo. Estas proteínas contienen secuencias directriz removible (presecuencia) situada en el extremo N de la molécula junto con varios residuos con carga positiva. La mayor parte de las proteínas destinadas a la membrana mitocondrial interna cuenta con secuencias directrices internas que pertenecen como parte de la molécula. Antes de que esta proteína pueda entrar a la mitocondria, se piensa que pasa por diferentes fenómenos. Antes de que esta proteína pueda entrar a la mitocondria, se tiene que encontrar en un estado desplegado o extendido. Las chaperonas como Hsp70 y Hsp90 participan en la preparación de los polipéptidos para su captación en las mitocondrias incluyendo las que se dirigen de manera específica las proteínas mitocondriales a la superficie citosólica de la membrana mitocondrial externa. La membrana mitocondrial externa contiene un complejo importador de proteínas llamada complejo TOM, este complejo incluye: 1) receptores que reconocen y se unen con proteínas mitocondriales 2) canales recubiertos por proteínas por los cuales pasan los polipéptidos desplegados a través de la membrana externa. Las proteínas destinadas a la membrana mitocondrial interna o matriz deben pasar por el espacio intermembranoso y acoplarse a un segundo complejo importador de proteínas que se encuentra en la membrana mitocondrial interna, el complejo TIM. La IMM contiene dos complejos TIM mayores: TIM22 y TIM 23, la TIM22 se une a proteínas integrales de la IMM que contiene una secuencia directriz interna y la inserta en la bicapa lipídica, mientras que la TIM23 se une a proteínas que tienen una presecuencia en el extremo N, que incluyen todas las proteínas de la matriz, reconoce y traslada a las proteínas a través de la IMM y hasta el compartimento acuoso interno. La translocación ocurre en sitios en los que las membranas mitocondriales externa e interna están muy próximas, de manera que la proteína importada puede cruzar ambas membranas al mismo tiempo. El movimiento hacia la matriz está impulsado por el potencial eléctrico a través de la membrana mitocondrial interna actúa sobre la señal directriz con carga positiva. Cuando entra a la matriz, un polipéptido interactúa con las chaperonas mitocondriales, como mtHsp70, que median la entrada al compartimiento acuoso. Se han propuesto dos mecanismos para explicar la acción general de las chaperonas participantes en el movimiento de proteínas a través de proteínas. De acuerdo con una nueva propuesta, las chaperonas actúan como motores generadores de fuerza que usan la energía derivada de la hidrólisis del ATP para “tirar” del polipéptido desplegado a través del poro de translocación, también se propone que ayudan a la difusión del polipéptido a través de la membrana.

Captación de proteínas en los cloroplastos

Los cloroplastos poseen 6 subcompartimentos a los que pueden llegar las proteínas:

1)Membranas de envoltura interna y externa

2)espacio intermembranoso

3)estroma

4)membrana tilacoidal

5)luz tilacoide

Los mecanismos de importación del cloroplasto son muy similares a los de la mitocondria, aunque sus translocaciones evolucionaron de manera independiente. Como sucede en la mitocondria:

1. La gran mayoría de las proteínas de los cloroplastos se importan en el citosol.

2. Las membranas de la envoltura externa e interna contienen diferentes complejos de translocación (TOC y TIC) que funcionan juntos durante la importación.

3. Las moléculas chaperonas ayudan a desplegar los polipéptidos en el citosol y plegar las proteínas en el cloroplasto.

4. Las proteínas destinadas al cloroplasto se sintetizan con una secuencia terminal N removible (péptido de tránsito).

El péptido de tránsito además de dirigir al polipéptido también le proporciona un “domicilio” que lo localiza al polipéptido en uno de los varios compartimentos dentro del organelo. Todas las proteínas que pasan por la envoltura del cloroplasto tienen un dominio de dirección estromal como parte de su péptido de tránsito que garantiza que el polipéptido entre al estroma. Una vez en el estroma, se retira al dominio de la directriz del estroma mediante una peptidasa procesadora que se encuentra en ese compartimento. Los polipéptidos que pertenecen a la membrana tilacoidal a la luz del tilacoide poseen un segmento adicional en el polipéptido de tránsito, el dominio de transferencia del tilacoide que determina su entrada al tilacoide. Se han identificado distintas vías y a través de ellas las proteínas se insertan en la membrana tilacoidal o se trasladan a la luz del tilacoide. Muchas de las proteínas que residen dentro de la membrana tilacoidal se codifican en genes del cloroplasto y se sintetizan en ribosomas unidos a la membrana del cloroplasto.

Referencias

●Karp, Gerald. "Biología Celular y Molecular: Conceptos y Experimentos". Mc Graw Hill.

●Alberts, B. (2004). Biología Molecular de la Célula (Cuarta edición). Barcelona: Ediciones Omega.

●Alberts, B. [et al] ; tr. por Gabriela López. (2011). Introducción a la Biología Celular (Tercera edición ). México: Editorial Médica Panamericana.