Mecanismos de Transporte Celular: Mitocondria, Endosomas, Fagocitosis y Autofagia

Introducción de Proteínas a la Matriz Mitocondrial y Espacio Intermembrana

La síntesis de proteínas destinadas a la mitocondria comienza en el citosol. Desde el inicio, estas proteínas se asocian a chaperonas hsp70 para evitar un plegamiento incorrecto. Las proteínas dirigidas a la matriz mitocondrial poseen un péptido señal que es reconocido por un receptor específico en la membrana mitocondrial externa. Este receptor está asociado al translocador TOM. El proceso se desarrolla en las siguientes etapas:

1. El receptor transfiere el péptido señal al complejo TOM.
2. El complejo TOM lo transfiere al complejo TIM 23 de la membrana mitocondrial interna.
3. Para que la proteína atraviese ambos complejos (TOM y TIM), estos deben alinearse. Existen diferentes teorías sobre si este alineamiento es constante o se produce tras la unión de la proteína al receptor.

Para la introducción de proteínas al espacio intermembrana, el proceso inicial es similar (reconocimiento por el receptor asociado a TOM e internalización). Sin embargo, el complejo TIM 23 reconoce que el péptido no debe cruzar completamente, abriéndose lateralmente e insertándolo en la membrana interna. Finalmente, una peptidasa corta el péptido señal, liberando la proteína al espacio intermembrana.

En algunos casos, proteínas destinadas al espacio intermembrana pueden ingresar a la matriz, o viceversa. En estas situaciones, interviene el complejo OXA, que transporta proteínas desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Estas proteínas también poseen una secuencia señal que es cortada por peptidasas tras su translocación.

Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria: Obtención de Energía

En el citoplasma, la glucosa se degrada a piruvato, que ingresa a la mitocondria y se transforma en acetil coenzima A (CoA). El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico), generando poder reductor en forma de NADH. Este NADH es utilizado por la cadena respiratoria (o cadena transportadora de electrones), siguiendo estos pasos:

1. El NADH dona dos electrones al complejo NADH deshidrogenasa, permitiendo el transporte de cuatro protones al espacio intermembrana.
2. Los electrones se transfieren a la ubiquinona, que los cede al complejo del citocromo b-c1.
3. El citocromo b-c1 transporta dos protones al espacio intermembrana. La ubiquinona también puede expulsar otros dos electrones.
4. El citocromo c transfiere los electrones al complejo citocromo oxidasa, de uno en uno. Por cada electrón, el citocromo oxidasa transporta un protón al espacio intermembrana (dos protones en total por cada NADH inicial).
5. El proceso se repite, obteniendo cuatro protones en el complejo citocromo oxidasa.
6. Estos cuatro electrones se asocian con cuatro protones (H+) y una molécula de oxígeno (O2), formando dos moléculas de agua (H2O).

Una molécula de NADH permite transportar aproximadamente diez protones al espacio intermembrana. Este gradiente de protones impulsa la formación de ATP. A partir de una molécula de glucosa, se obtienen entre 34 y 36 moléculas de ATP.

El paso de la proteína a través del complejo TIM 23 está relacionado con el potencial de membrana. Se requiere un potencial positivo en el espacio intermembrana y negativo en la matriz para impulsar la translocación a través de TIM 23.

Endosomas Tardíos y Lisosomas: Degradación y Reciclaje

En el endosoma tardío, el pH alcanza 4.5, activando las enzimas hidrolasas. Aquí comienza la degradación de los compuestos. Los endosomas tardíos pueden:

• Enviar vesículas de vuelta al complejo de Golgi (vía retrógrada).
• Recibir vesículas del Golgi (aunque es más común que lleguen al endosoma temprano).
• Diferenciarse a lisosomas o fusionarse con lisosomas maduros.

Los lisosomas que han completado la degradación pueden fusionarse con endosomas tardíos, reciclando enzimas, bombas de protones y permeasas. Una vez degradado el contenido del endosoma tardío, este puede subdividirse en lisosomas más pequeños. La principal diferencia entre endosoma tardío y lisosoma es la capacidad del endosoma tardío de realizar transporte retrógrado y recibir vesículas del Golgi.

Fagocitosis: Degradación de Bacterias

La fagocitosis da lugar al fagosoma, una vesícula que contiene una partícula bacteriana endocitada. Para degradar la bacteria, se requieren enzimas hidrolasas, que llegan al fagosoma mediante:

• Vesículas directas del Golgi.
• Vesículas de endosomas tempranos que contienen hidrolasas. En este caso, el fagosoma debe madurar y acidificar su medio para activar las enzimas. Esto se logra gracias a las bombas de protones aportadas por las vesículas.
• Fusión de lisosomas maduros con el fagosoma, aportando enzimas y un medio ácido.

Los productos de la degradación bacteriana se envían en vesículas a la membrana plasmática para su uso por el sistema inmune.

Autofagia: Mecanismo de Degradación Intracelular

La autofagia es un mecanismo de degradación de porciones del citoplasma propio de la célula. Se activa en situaciones de alta demanda energética, necesidad de reemplazar componentes celulares o para obtener compuestos más simples. El proceso se describe a continuación:

1. Se separa una región del retículo endoplasmático liso.
2. Esta región envuelve una porción del citoplasma.
3. Se forma un autofagosoma.
4. Lisosomas maduros se fusionan con el autofagosoma, liberando hidrolasas y aportando permeasas.
5. Los componentes internos se degradan a elementos más sencillos, liberados al citoplasma a través de las permeasas.

El resultado de la autofagia es un cuerpo residual que puede reciclarse y funcionar como lisosoma en otros procesos, ya que contiene enzimas hidrolasas.