12. ORGÁNULOS ENERGÉTICOS: MITOCONDRIAS Y CLOROPLASTOS 1. MITOCONDRIAS ♦ ESTRUCTURA ♦ FUNCIÓN ♦ ORIGEN Y GRADO DE AUTONOMÍA 2. CLOROPLASTOS ♦ ESTRUCTURA ♦ FUNCIÓN ♦ ORIGEN Y GRADO DE AUTONOMÍA 3. EJERCICIOS DE SELECTIVIDAD DE CITOLOGÍA 1. MITOCONDRIAS ESTRUCTURA

Fueron observadas por primera vez en 1886 por Altmann, bastante antes del descubrimiento del microscopio electrónico, ya que su tamaño, 7µ de longitud y un diámetro de entre 0.5 a 1 µm las hace visibles al microscopio óptico. Normalmente se describen como estructuras cilíndricas, aunque al ser deformadas por las corrientes citoplásmicas pueden ser esféricas, como bastoncillos, discos aplanados... Aparecen distribuidas uniformemente por el citoplasma y presentes en todas las células eucariotas, aunque su número depende del tipo celular y es variable ya que pueden fusionarse y fragmentarse, de tal manera que lo que se mide es el volumen total de superficie ocupado por todas las mitocondrias con respecto al volumen total de la célula. Se pude decir que el volumen total es mayor cuanto mayor sea el metabolismo de la célula. El conjunto de mitocondrias de una célula se denomina condrioma. a) ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA: • Membrana mitocondrial externa: es lisa, en ella abunda una proteína denominada porina que permite l paso de numerosas moléculas provenientes del citoplasma. Contiene también otras proteínas involucradas en la síntesis de lípidos y su conversión en sustratos que serán metabolizados en el interior de la mitocondria. • Espacio intermembrana: que debido precisamente a la porina, tendrá una composición química parecida al hialoplasma. Quizá lo más importante sea la presencia de una enzima: la adenilquinasa, que transforma las moléculas de AMP en ADP según la reacción siguiente: ATP + AMP = 2 ADP Estas moléculas de ADP pueden atravesar la membrana interna y aquí ser fosforiladas a ATP, si no se diera este paso, el AMP formado en el hialoplasma no podría ser utilizado para la regeneración del ATP, ya que la membrana interna es impermeable al AMP y no podría entrar.

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Membrana mitocondrial interna: presenta pliegues, normalmente perpendiculares al eje mayor de la mitocondria, denominadas crestas mitocondriales, y que permiten aumentar la superficie de la membrana. El número de crestas depende del tipo de células, por ejemplo, es mayor en células animales que en vegetales, y también mayor en las fibras del músculo estriado que en otras células animales. Es más rica en proteínas que el resto de las membranas de la célula: 80% proteínas y 20 % de lípidos, entre estos no hay colesterol y hay mucha cardiolipina. Entre las proteínas cabe destacar:  Proteínas transportadoras: que permiten el paso de los iones y moléculas a través de la membrana interna, bastante impermeable al paso de iones  Las proteínas que forman la cadena transportadora de electrones hasta el oxígeno molecular.  Un complejo enzimático, la ATP- sintetasa, que cataliza la síntesis de ATP, aprovechando la energía liberada en el transporte de electrones y que está formada por tres partes:  Una esfera de 90 A de diámetro, que es la parte catalítica del complejo y que se denomina F1.  Un pedúnculo, que se une la esfera a la membrana interna de 5 A de altura y 30 de diámetro, denominado F0.  Una base que a diferencia de las otras dos es de naturaleza hidrófoba y que está integrada en la membrana. Juntas estas dos últimas llevarán a cabo un proceso fundamental en la mitocondria denominado: fosforilación oxidativa.

ATP-asa Matriz mitocondrial: o espacio interior del orgánulo, que contiene una mezcla muy concentrada de sustancias:  Moléculas de ADN doble y circular, que contiene información para la síntesis de un buen nº de proteínas mitocondriales.  Ribosomas (55 S), tanto libres como adosados a la membrana interna. - Iones, Calcio, PO4 , ADP, ATP, glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, CO2 y agua.  Enzimas que intervienen en la replicación, transcripción y traducción del ADN por una parte y por otras enzimas que intervienen en la oxidación de moléculas procedentes del catabolismo anaerobio del hialoplasma.

FUNCIÓN En ellas tienen lugar algunas de las reacciones del proceso de respiración celular; este consta de tres etapas. Glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa, de ellas las dos últimas tienen lugar n la mitocondria y la primera en el hialoplasma. El estudio de la función de las mitocondrias lo abordaremos en el tema siguiente ORIGEN Y GRADO DE AUTONOMÍA Las mitocondrias proceden de organismos procariotas que fueron fagocitados por células mayores y que en lugar de ser digeridas, establecieron una relación de simbiosis con ellas; en la relación las células fagocitarias eran protegidas contra el oxígeno, cada vez más abundante y las mitocondrias conseguían oxígeno.

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Pruebas de este origen independiente son, la presencia de ADN mitocondrial y de ribosomas propios de estos orgánulos, lo que da a las mitocondrias capacidad para producir sus propias proteínas. Otro argumento a tener en cuenta es el proceso de biogénesis de las mitocondrias, ya que se originan por fragmentación a partir de otras de manera independiente a la división de la célula. Las mitocondrias de las células animales tienen un origen materno, puesto que proceden por división de las mitocondrias que aporta el óvulo en el momento de la fecundación. Su división es semejante a la de las bacterias y se puede producir por bipartición o por segmentación una vez que la mitocondria ha alcanzado su tamaño definitivo. En la bipartición se produce el crecimiento de una cresta que llega a formar un tabique que separa la matriz en dos. En la segmentación se produce mediante estrangulamiento de la mitocondria. El crecimiento de las mitocondrias implica la incorporación de moléculas procedentes del citoplasma. La mayor parte de las proteínas mitocondriales son codificadas por el genoma nuclear y su síntesis tiene lugar en los ribosomas libres en el citoplasma. Actividad 1: Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: • La membrana interna de la mitocondria tiene mayor o menor permeabilidad que la externa. • El ADN mitocondrial sólo codifica una pequeña parte de las proteínas de la mitocondria. • Las reacciones características de la respiración celular tienen lugar en la mitocondria. Actividad 2: Realiza un dibujo esquemático de una mitocondria señalando todas sus partes. ¿En qué parte tiene lugar la síntesis de ATP?

Actividad 3: En la porción central del espermatozoide (entre la cabeza y la cola, donde comienza el flagelo) existe una vaina mitocondrial constituida por un gran número de mitocondrias alargadas ¿Qué función crees que desempeña la vaina mitocondrial?

Actividad 4: ¿Qué importancia tiene la existencia de crestas mitocondriales?

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2. CLOROPLASTOS

Aunque siempre se habla de cloroplastos sería más conveniente utilizar el término de genérico de plastos. Se trata de orgánulos que no están presentes en células animales y que se caracterizan por contener diversos tipos de pigmentos y por su capacidad para sintetizar y acumular sustancias de reserva. Existen varios tipos de plastos: • Leucoplastos: son incoloros y se localizan en cotiledones, esbozos de hojas del tallo y su función es almacenar productos de reserva, como almidón (amiloplastos en la raíz), grasas (elaioplastos). • Cromoplastos: que presentan diversos tipos de pigmentos: localizados en pétalos, frutos, hojas. Pigmentos del tipo de los carotenoides, responsables del color de la zanahoria, tomate… • Cloroplastos: es un tipo de plastos, pero por su importancia se le da una categoría propia. Contienen clorofila y confiere el típico color verde a las plantas y a las algas clorofíceas. Actividad 5 : ¿Es lo mismo plasto que cloroplasto? Razona tu respuesta.

Actividad 6: ¿En qué tejidos vegetales son más abundantes los cloroplastos?

Actividad 7: ¿Por qué las hojas sanas tienen ese color verde tan intenso?

Tienen forma lenticular (como una lenteja o una lente), aunque también pueden ser ovoides u esféricos. Con respecto a su nº, en las plantas superiores el nº es constante (20-40 por célula), en algas sólo pueden tener uno con formas muy variadas, como un espiral o una cinta.

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Con respecto al tamaño, oscilan entre 4- 6 µm de diámetro, es constante para cada tipo celular, pero varía bastante con respecto a los diferentes tipos de células y el sexo. a) ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA: Están delimitados por una doble membrana: la membrana externa y la interna ambas lisas, entre ellas se localiza el espacio intermembrana. En cuanto a la composición química de estas decir que tiene un 60% de lípidos y un 40% de proteínas. No tiene clorofila y entre las proteínas destacar las proteínas transportadoras; la externa es muy permeable y la interna tiene una permeabilidad muy selectiva, como las mitocondrias. La membrana interna delimita un espacio denominado estroma, en el que nos encontramos otra membrana, la membrana tilacoidal, que forma la pared de unos discos aplanados, denominados tilacoides. Los tilacoides están comunicados entre sí, formando un tercer compartimiento, denominado, espacio tilacoidal, separado del estroma por la membrana tilacoidal. Los tilacoides se encuentran apilados formando lo que se denomina como grana. En cuanto a la composición química del estroma, nos encontramos:  Moléculas de ADN circular y doble, con información para proteínas.  Ribosomas, semejantes a los bacterianos.  Enzimas:  Las que se encargan de reducir CO2, nitratos y sulfatos a materia orgánica.  Las que permiten replicar, transcribir y traducir la información del ADN del cloroplasto Actividad 8: Realiza un dibujo esquemático de un cloroplasto señalando todas sus partes. ¿En qué parte tiene lugar la fase lumínica?

En cuanto a la composición química de la membrana tilacoidal, es quizá la de mayor interés, en ella hay lípidos, proteínas y pigmentos:  Los lípidos: 38% son semejantes al resto de membranas, no tiene colesterol.  Pigmentos: son de dos tipos:  Carotenoides (2%): xantófilas y carotenos, de color amarillo o anaranjado.  Clorofilas (10%): está formada por un anillo tetrapirrólico, en cuyo interior se encuentra un átomo de magnesio. Al anillo, van unidos mediante enlace éster, los alcoholes fitol y metanol. Esta molécula tiene un marcado carácter anfipático, con la parte del anillo qu es hidrófila y la cadena larga de fitol que es hidrófoba. En las plantas hay dos tipos: denominados clorofila a y b, que se diferencian en el radical que llevan en el carbono 3 del grupo tetrapirrólico que en la a es un radical metilo y en la b es un radical formilo. Estas absorben entre672- 683 nm en el espectro de luz visible. Actividad 9: El compartimiento del cloroplasto en el que tiene lugar la reducción del dióxido de carbono es: • El espacio tilacoidal • El espacio intermembrana. • El estroma • La membrana tilacoidal.

Actividad 10: Explica qué son y qué función desempeñan en el proceso fotosintético las moléculas siguientes, busca en los temas que ya has estudiado: • Carotenoides:

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Clorofilas:

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NADPH

ESPECTRO DE LUZ



MOLÉCULA DE CLOROFILA

Proteínas (50%):  Proteínas asociadas a los pigmentos para formar grandes complejos, integrados en la membrana.  Proteínas transportadoras de electrones (semejantes a las de mitocondrias) aunque ahora deben transferir electrones desde un dador, el agua, hasta el NADP que se reduce.  ATP- sintetasa, semejante a la de mitocondrias.

b) FUNCIÓN: Realizan la fotosíntesis oxigénica que será también estudiada en el tema siguiente. c) ORIGEN Y GRADO DE AUTONOMÍA Al igual que sucede con las mitocondrias, los cloroplastos se pueden originar a partir de otros preexistentes en la célula por escisión binaria. Parece ser que la luz desempeña un importante papel regulador de este proceso. Durante el desarrollo del organismo, los cloroplastos proceden, a su vez, de proplastos, los cuales originarían cloroplastos en presencia de luz. Se cree que los leucoplastos podrían constituir una forma intermedia en la diferenciación de los cloroplastos, mientras que los cromoplastos serían los plastos más viejos. Actividad 11: Comenta semejanzas y diferencias entre cloroplastos y mitocondrias.

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Actividad 12: Observa el siguiente dibujo y relaciona sus compartimentos celulares con la localización en ambos orgánulos de la ATP-asa

3. EJERCICIOS DE CITOLOGÍA 1. En cuanto a los tipos de células procariotas y eucariotas: a) Cite los componentes esenciales comunes (1 punto) b) Cite sus diferencias (1 punto) 2. En cuanto a la evolución de la célula y sus orgánulos: a) Defina la teoría endosimbiótica de (Lynn Margulis, 1970) (1 punto) b) Cite tres diferencias entre una célula eucariota y una célula procariota, y ponga un ejemplo de célula procariota. (1 punto) 3. En relación con el aparato de Golgi y el retículo endoplasmático rugoso: a) Haga un dibujo del aparato de Golgi y otro del retículo endoplasmático rugoso relacionados entre sí y nombre en ellos sus componentes (1 punto). b) Explique la relación funcional del aparato de Golgi y del retículo endoplasmático rugoso (0,5 puntos). c) Indique dos orgánulos o estructuras celulares en las que intervenga el aparato de Golgi en su formación (0,5 puntos). 4. En relación con el citoesqueleto: a) Cite dos componentes del citoesqueleto e indique su composición (1 punto). b) Explique la función de los dos componentes citados en el apartado anterior (1 punto). 5. Con relación al Aparato de Golgi (Complejo de Golgi). a) Explique sus características estructurales (1 punto). b) ¿Cómo se originan las vesículas golgianas?, ¿cuál es su función? (0,5 puntos). c) Cite dos funciones del aparato de Golgi (0,5 puntos). 6. Una de las funciones de la membrana celular es la de transporte de moléculas entre el medio celular y el medio externo. Defina los siguientes conceptos: a)Difusión simple (0,5 puntos). b) Difusión facilitada (0,5 puntos)

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c) Transporte activo (0,5 puntos) d) Endocitosis (0,5 puntos). 7. La célula vegetal, además de la pared celular, tiene otras características diferenciales con la célula eucariota animal. a) Cite las otras diferencias existentes (0,5 puntos). b) Explique la composición química de la pared celular (1 punto). c) Cite dos funciones de la pared celular (0,5 puntos). 8. En relación con los intercambios celulares a través de las membranas: a) Indique las características del transporte pasivo que lo diferencian del transporte activo (0,5 puntos). b) Cite los mecanismos de transporte pasivo que permiten entrar en la célula las moléculas de oxigeno y de glucosa (0,5 puntos). c) Nombre los mecanismos que permiten la entrada y salida de macromoléculas en la célula. Explique cómo se llevan a cabo estos procesos (1 punto). 9. En relación con los lisosomas: a) Defina lisosoma primario (0,5 puntos). b) Cite el orgánulo que origina los lisosomas y otro orgánulo que intervenga en la síntesis de su contenido (0,5 puntos). c) Explique cómo se convierte un lisosoma primario en lisosoma secundario o fagolisosoma (0,5 puntos). d) Cite la función de los lisosomas (0,5 puntos). 10. En el siguiente esquema se representa un cloroplasto: a) Nombre los compartimentos y estructuras que se señalan (1 punto). b) Mencione las partes de la estructura de este orgánulo asociadas con los siguientes procesos: Síntesis de ATP, ciclo de Calvin, cadena de transporte electrónico y fotólisis (1 punto).

11. Con relación a la célula vegetal: a) Explique la composición química de la celulosa (0,5 puntos). b) Indique a qué grupo de biomoléculas pertenece la hemicelulosa (0,5 puntos). c) Indique la localización de la celulosa en dicha célula (0,5 puntos). d) Cite dos biomoléculas presentes en las células, vegetales o animales, con idénticas características químicas a las anteriores (0,5 puntos). 12. Con relación al aparato ciliar de la célula: a) Exponga la estructura y función de un cilio (1,5 puntos). b) Dibuje el esquema de la sección transversal de su axonema (0,5 puntos). 13. Las mitocondrias son unos orgánulos que están presentes en las células eucariotas. a) Haga un esquema o dibujo de una mitocondria y señale sus componentes (1 punto). b) Indique la localización en las mitocondrias de los siguientes procesos metabólicos: cadena de transporte de electrones y ciclo de Krebs (0,5 puntos). c) ¿Cómo se llaman los productos del ciclo de Krebs que al oxidarse ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónico?, ¿Cuál es el aceptor final de los electrones? (0,5 puntos). 14. En relación con la membrana plasmática: a) Explique la composición química de la membrana plasmática (0,5 puntos). b) Modelo hipotético sobre su estructura. Explíquelo mediante un esquema, señalando sus componentes ( 0,75 puntos). c) ¿De qué formas puede realizarse el transporte de sustancias a través de la membrana? (0,75 puntos). 15. Las células vegetales están rodeadas por una envoltura denominada pared celular. a) Explique la composición química y la estructura de dicha pared (1 punto). b) Indique dos funciones que desempeñe la pared en la célula vegetal (0,5 puntos). c) Indique el principal orgánulo implicado en la formación de la pared celular y en qué fase de la mitosis se origina (0,5 puntos).

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