Las mitocondrias son la central energética de la célula cuya estructura interna ya se ha adaptado para producir rápidamente y masivamente el compuesto de alta energía ATP. La ultraestructura no se puede distinguir bajo un microscopio óptico, solo un microscopio electrónico puede verlas claramente.
Membrana externa
La membrana externa lisa tiene un grosor de 6-7 nanómetros. Las proteínas y los lípidos representan cada uno la mitad de la membrana externa. Las mitocondrias intercambian selectivamente sustancias con el citosol a través de ella. Las porinas en la superficie se abren selectivamente, y las moléculas más pequeñas que 5000KDa pueden pasar, como aminoácidos, ATP y acetil-CoA, etc. También hay proteínas en la membrana externa que inhiben o activan la apoptosis.
Entre las membranas externa e interna, hay un espacio de 6-8 nm de ancho llamado espacio intermembrana. Su composición es cercana a la del citosol. Está lleno de intermediarios metabólicos y algunas enzimas relacionadas con la respiración.
Membrana interna
Es la estructura más única e importante de las mitocondrias. Solo alrededor del 20% de su composición son lípidos cuyo componente principal son los fosfolípidos, y casi no hay colesterol. También hay un lípido especial llamado cardiolipina en la membrana interna. Tienen dos colas de hidrocarburo más que los fosfolípidos, por lo que su disposición es más apretada para reducir la permeabilidad a los iones, especialmente a los protones. Solo las moléculas pequeñas sin carga pueden penetrarlas. Por lo tanto, algunas moléculas más grandes o iones que ingresan a la matriz necesitan la ayuda de proteínas transportadoras.
La membrana interna se pliega hacia la cavidad central de la mitocondria para formar estructuras sobresalientes llamadas crestas. La superficie aumenta de 5 a 10 veces para las reacciones bioquímicas. En las células con metabolismo activo, no solo hay más mitocondrias, sino también más crestas. La membrana interna está incrustada con un gran número de enzimas relacionadas con la respiración aeróbica, de modo que aproximadamente el 80% de sus componentes son proteínas. Estas proteínas son responsables del metabolismo energético (cadena de transporte de electrones y síntesis de ATP) y del paso de sustancias a través de la membrana interna. Observarás una gran cantidad de gránulos separados por unos 10 nanómetros en la membrana interna bajo un microscopio electrónico. Son en realidad ATP sintasa.
Matriz
La membrana interna encierra la matriz mitocondrial en un compartimento similar a un gel, donde se encuentran muchas enzimas y sustratos necesarios para la respiración celular. Este no solo es el sitio del ciclo del ácido cítrico (también llamado ciclo de Krebs), la β-oxidación de ácidos grasos y la degradación de aminoácidos, sino que también incluye algunos pasos del ciclo de la urea, un proceso que convierte el amoníaco en urea para eliminar la citotoxicidad. En la matriz, también hay ADNmt, ARN y ribosomas mitocondriales para la síntesis de proteínas algo autosuficiente. Sin embargo, la mayoría de las proteínas aún son codificadas por el núcleo celular y sintetizadas por los ribosomas citosólicos. Por lo tanto, las mitocondrias también se llaman orgánulos semiautónomos.
Función mitocondrial: ¿cómo produce energía?
La quema de glucosa es su función principal, por lo que han ganado el apodo de "central energética de la célula". La glucosa se descompone en piruvato mediante glucólisis anaeróbica en el citosol y se oxida completamente en agua y dióxido de carbono en las mitocondrias. En la matriz, el piruvato se convierte en acetil-CoA que pasa por el ciclo de los ácidos tricarboxílicos para liberar los compuestos de alta energía ATP y NADH. Los electrones aportados por NADH disminuyen gradualmente su energía a lo largo de la cadena de transporte de electrones (cadena respiratoria). Mientras tanto, los complejos en la membrana interna bombean protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana (crestas). La diferencia de pH a través de la membrana es de aproximadamente 1. La energía eléctrica reducida se almacena en el gradiente de concentración de protones y en la diferencia de potencial eléctrico. Finalmente, los protones fluyen a través de la ATP sintasa que produce 3 ATP por cada rotación. Si se necesita generación rápida de calor, los protones penetran directamente en las proteínas desacoplantes en lugar de en la ATP sintasa hacia la matriz. Al igual que una batería en cortocircuito, toda la energía electroquímica se disipa como calor. Las proteínas desacoplantes son abundantes en la grasa marrón que los animales hibernantes usan para mantener la temperatura corporal.