En la mitocondria , la matriz es el espacio dentro de la membrana interna . La palabra "matriz" proviene del hecho de que este espacio es viscoso, en comparación con el citoplasma relativamente acuoso. La matriz mitocondrial contiene el ADN mitocondrial , los ribosomas , las enzimas solubles , las pequeñas moléculas orgánicas, los cofactores de nucleótidos y los iones inorgánicos . [1] Las enzimas en la matriz facilitan las reacciones responsables de la producción de ATP , como el ciclo del ácido cítrico , la fosforilación oxidativa , la oxidación del piruvato y la beta oxidación de los ácidos grasos . [1]
La composición de la matriz en función de sus estructuras y contenidos produce un entorno que permite que las vías anabólicas y catabólicas procedan favorablemente. La cadena de transporte de electrones y las enzimas en la matriz desempeñan un papel importante en el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa . El ciclo del ácido cítrico produce NADH y FADH2 a través de la oxidación que se reducirán en la fosforilación oxidativa para producir ATP . [2] [3]
El compartimento citosólico, espacio intermembrana , tiene un contenido acuoso:proteína más alto de alrededor de 3,8 μL/mg de proteína en relación con el que ocurre en la matriz mitocondrial, donde dichos niveles suelen estar cerca de 0,8 μL/mg de proteína. [4] No se sabe cómo las mitocondrias mantienen el equilibrio osmótico a través de la membrana mitocondrial interna, aunque la membrana contiene acuaporinas que se cree que son conductos para el transporte regulado de agua. La matriz mitocondrial tiene un pH de aproximadamente 7,8, que es más alto que el pH del espacio intermembrana de las mitocondrias, que es de alrededor de 7,0-7,4. [5] El ADN mitocondrial fue descubierto por Nash y Margit en 1963. En la matriz mitocondrial está presente un ADN principalmente circular de doble cadena de uno a muchos. El ADN mitocondrial es el 1% del ADN total de una célula. Es rico en contenido de guanina y citosina , y en los humanos es de origen materno. Las mitocondrias de los mamíferos tienen ribosomas 55s.
La matriz alberga una amplia variedad de metabolitos involucrados en procesos dentro de la matriz. El ciclo del ácido cítrico involucra acil-CoA , piruvato , acetil-CoA , citrato , isocitrato , α-cetoglutarato , succinil-CoA , fumarato , succinato , L -malato y oxaloacetato . [2] El ciclo de la urea hace uso de L -ornitina , carbamoil fosfato y L -citrulina . [4] La cadena de transporte de electrones oxida las coenzimas NADH y FADH2 . La síntesis de proteínas hace uso de ADN mitocondrial , ARN y ARNt . [5] La regulación de los procesos hace uso de iones ( Ca 2+ / K + / Mg + ). [6] Los metabolitos adicionales presentes en la matriz son CO 2 , H 2 O , O 2 , ATP , ADP y P i . [1]
Enzimas de procesos que tienen lugar en la matriz. El ciclo del ácido cítrico es facilitado por la piruvato deshidrogenasa , la citrato sintasa , la aconitasa , la isocitrato deshidrogenasa , la α-cetoglutarato deshidrogenasa , la succinil-CoA sintetasa , la fumarasa y la malato deshidrogenasa . [2] El ciclo de la urea es facilitado por la carbamoil fosfato sintetasa I y la ornitina transcarbamilasa . [4] La β-oxidación utiliza la piruvato carboxilasa , la acil-CoA deshidrogenasa y la β-cetotiolasa . [1] La producción de aminoácidos es facilitada por las transaminasas . [7] El metabolismo de los aminoácidos está mediado por proteasas , como la proteasa de presecuencia . [8]
La membrana interna es una bicapa de fosfolípidos que contiene los complejos de fosforilación oxidativa, que contiene la cadena de transporte de electrones que se encuentra en las crestas de la membrana interna y consta de cuatro complejos proteicos y la ATP sintasa . Estos complejos son el complejo I (NADH:coenzima Q oxidorreductasa), el complejo II (succinato:coenzima Q oxidorreductasa), el complejo III (coenzima Q:citocromo c oxidorreductasa) y el complejo IV (citocromo c oxidasa). [6]
La cadena de transporte de electrones es responsable de establecer un gradiente electroquímico y de pH que facilita la producción de ATP a través del bombeo de protones. El gradiente también proporciona control de la concentración de iones como Ca 2+ impulsado por el potencial de membrana mitocondrial. [1] La membrana solo permite que las moléculas no polares como CO 2 y O 2 y pequeñas moléculas polares no cargadas como H 2 O entren en la matriz mitocondrial. Las moléculas entran y salen de la matriz mitocondrial a través de proteínas de transporte y transportadores de iones . Las moléculas luego pueden salir de las mitocondrias a través de porinas . [9] Estas características atribuidas permiten el control sobre las concentraciones de iones y metabolitos necesarios para la regulación y determinan la tasa de producción de ATP. [10] [11]
Después de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico se activa mediante la producción de acetil-CoA. La oxidación del piruvato por la piruvato deshidrogenasa en la matriz produce CO2 , acetil-CoA y NADH. La beta-oxidación de los ácidos grasos sirve como una vía catabólica alternativa que produce acetil-CoA, NADH y FADH2 . [1] La producción de acetil-CoA inicia el ciclo del ácido cítrico mientras que las coenzimas producidas se utilizan en la cadena de transporte de electrones . [11]
Todas las enzimas del ciclo del ácido cítrico se encuentran en la matriz (p. ej. , citrato sintasa , isocitrato deshidrogenasa , α-cetoglutarato deshidrogenasa , fumarasa y malato deshidrogenasa ), excepto la succinato deshidrogenasa , que se encuentra en la membrana interna y forma parte del complejo proteico II en la cadena de transporte de electrones . El ciclo produce las coenzimas NADH y FADH 2 mediante la oxidación de carbonos en dos ciclos. La oxidación de NADH y FADH 2 produce GTP a partir de la succinil-CoA sintetasa. [2]
El NADH y el FADH 2 se producen en la matriz o se transportan a través de porinas y proteínas de transporte para sufrir una oxidación a través de la fosforilación oxidativa. [1] El NADH y el FADH 2 sufren una oxidación en la cadena de transporte de electrones al transferir un electrón para regenerar NAD + y FAD . Los protones son atraídos hacia el espacio intermembrana por la energía de los electrones que pasan por la cadena de transporte de electrones. Finalmente, el oxígeno en la matriz acepta cuatro electrones para completar la cadena de transporte de electrones. Los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la proteína ATP sintasa . La energía se utiliza para rotar la ATP sintasa, lo que facilita el paso de un protón, produciendo ATP. Una diferencia de pH entre la matriz y el espacio intermembrana crea un gradiente electroquímico por el cual la ATP sintasa puede pasar un protón a la matriz de manera favorable. [6]
Los dos primeros pasos del ciclo de la urea tienen lugar dentro de la matriz mitocondrial de las células del hígado y del riñón. En el primer paso, el amoníaco se convierte en carbamoil fosfato mediante la inversión de dos moléculas de ATP. Este paso es facilitado por la carbamoil fosfato sintetasa I. El segundo paso, facilitado por la ornitina transcarbamilasa, convierte el carbamoil fosfato y la ornitina en citrulina . Después de estos pasos iniciales, el ciclo de la urea continúa en el espacio de la membrana interna hasta que la ornitina ingresa nuevamente a la matriz a través de un canal de transporte para continuar los primeros dos pasos dentro de la matriz. [12]
El α-cetoglutarato y el oxaloacetato pueden convertirse en aminoácidos dentro de la matriz mediante el proceso de transaminación . Estas reacciones son facilitadas por las transaminasas para producir aspartato y asparagina a partir del oxaloacetato. La transaminación del α-cetoglutarato produce glutamato , prolina y arginina . Estos aminoácidos luego se utilizan dentro de la matriz o se transportan al citosol para producir proteínas. [7] [13]
La regulación dentro de la matriz está controlada principalmente por la concentración de iones, la concentración de metabolitos y la carga de energía. La disponibilidad de iones como el Ca 2+ controla varias funciones del ciclo del ácido cítrico. en la matriz activa la piruvato deshidrogenasa , la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa , lo que aumenta la velocidad de reacción en el ciclo. [14] La concentración de intermediarios y coenzimas en la matriz también aumenta o disminuye la tasa de producción de ATP debido a los efectos anapleróticos y catapleróticos. El NADH puede actuar como inhibidor de la α-cetoglutarato , la isocitrato deshidrogenasa , la citrato sintasa y la piruvato deshidrogenasa. La concentración de oxaloacetato en particular se mantiene baja, por lo que cualquier fluctuación en estas concentraciones sirve para impulsar el ciclo del ácido cítrico hacia adelante. [2] La producción de ATP también sirve como medio de regulación al actuar como inhibidor de la isocitrato deshidrogenasa, la piruvato deshidrogenasa, los complejos proteicos de la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa. El ADP actúa como activador . [1]
La mitocondria contiene su propio conjunto de ADN que se utiliza para producir proteínas que se encuentran en la cadena de transporte de electrones. El ADN mitocondrial solo codifica alrededor de trece proteínas que se utilizan para procesar las transcripciones mitocondriales, las proteínas ribosómicas , el ARN ribosómico , el ARN de transferencia y las subunidades proteicas que se encuentran en los complejos proteicos de la cadena de transporte de electrones. [15] [16]