MITOCONDRIAS Aunque estos orgánulos encargados de producir energía se identificaron hace mucho tiempo, el modo en que surgieron y se integraron en las células sigue siendo hoy objeto de debate. En 1884, Richard Altmann las describió como parásitos de las células y las llamó bioblastos El conjunto de los bioblastos de una célula recibió el nombre de condrioma Carl Benda en 1897 usó por primera vez el término mitocondria (mito= hilo, chondrios= gránulo) Al MO las mitocondrias se ven muy bien con la coloración desarrollada por Michaelis (1900), Verde Jano. CÉLULAS INFECTADAS CON RICKETTSIAS CARACTERÍSTICAS Número, forma y tamaño variables, en función de los requerimientos celulares. El tamaño oscila entre 0,5 y 1 μm (bacteria) Una célula eucarionte típica contiene mas de 1000 mitocondrias, lo que ocupa alrededor de la quinta parte del volumen celular Las células de mamíferos que poseen más mitocondrias son las células musculares Sólo los eritrocitos de mamíferos carecen de mitocondrias PLASTICIDAD Filmaciones en células vivas muestran su plasticidad, se fusionan con otras y se vuelven a separar. Se mueven asociadas al citoesqueleto. Direccionalidad. Pueden formar filamentos o cadenas. Rhodamina 123 (fluorescencia) Mitocondrias elongadas Ab anti microtubulos En otras células se fijan en una posición, como en los espermatozoides. Durante el desarrollo del flagelo los microtubulos se enrollan de manera helicoidal alrededor del axonema, como para guiar la localización de las mitocondrias. Luego desaparecen. o en el músculo esquelético y cardíaco. El avance en el conocimiento de su función se logró luego que en la década del ´40 se lograra aislar las mitocondrias de hígado por primera vez (entre 1000 y 2000 por hepatocito). IMPORTANCIA Los organismos aeróbicos obtienen la mayoría de la energía que necesitan vía la fosforilación oxidativa (15 veces). También están involucradas en procesos como apoptosis, autofagia y el control de la calidad de algunas proteínas. Mantienen contacto físico con organelas como lisosomas y retículo endoplásmico liso regulando de esa manera varios procesos. FUNCIONA COMO BUFFER ESTRUCTURA Dos membranas altamente especializadas y con funciones distintas y dos compartimentos: Membrana externa Membrana interna Espacio intermembrana Matriz Centrifugación diferencial y gradientes Hígado: El 67% de las proteínas totales de la mitocondria están en la matriz. El 21% en la membrana interna El 6% en la membrana externa El 6% en el espacio intermembrana Modelo estructura mitocondrial Micrografía electrónica mitocondrial ESTRUCTURA Membrana externa: más de la mitad de sus componentes son fosfolípidos. Enzimas: elongación de los ácidos grasos, oxidación de catecolaminas (MAO) y degradación de triptofano. Es permeable al agua, iones y sacarosa. Tienen porinas, proteínas que forman canales acuosos que permiten el pasaje de sustancias de menos de 5000 Da al espacio intermembrana. MODELO ESTRUCTURA Membrana Interna: muy plegada, formando las crestas. El número de crestas depende de la actividad metabólica de las células. 20% de fosfolípidos, fundamentalmente cardiolipina, y 80% de proteínas. Impermeable a agua y iones. Proteínas pueden dividirse en 3 tipos: las que llevan a cabo las sucesivas oxidaciones en la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa ATP sintetasa, que sintetiza ATP hacia la matriz. proteínas de transporte que regulan el pasaje de sustancias desde y hacia la matriz. Cardiolipina: fosfolípido con 4 ácidos grasos en lugar de dos. ESTRUCTURA Espacio intermembrana: tiene casi la misma composición que el citosol en moléculas pequeñas. Matriz: composición determinada por la permeabilidad de la membrana interna. Enzimas que metabolizan piruvato y acidos grasos para dar acetil CoA Enzimas que oxidan Acetil CoA en el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs y producen NADH ADN Generalmente las crestas son laminares y perpendiculares al eje mayor de la mitocondria. También hay crestas irregulares en forma tubular, paralelas al eje Existen mitocondrias con crestas escasas y cortas o con crestas supernumerarias, casi sin matriz. Los sitios de contacto constituyen las zonas de mayor intercambio. Su composición proteica es diferente a la de las crestas Mitochondrial contact site and cristae organizing system El conjunto de proteínas llamadas MICOS tienen que ver con la zona de unión y la organización de las crestas IMPORTAR PROTEINAS Comun a todas los precursores de proteínas es la traslocasa de membrana externa o complejo TOM y luego la vía diverge. Las proteínas precursoras con presecuencia Nterminal y van a IM poseen otras traslocasas (complejo TIM22,23) AUTOREPRODUCIBLES Y SEMIAUTÓNOMAS • Tienen información genética propia y un equipo de síntesis proteica • Con ADN propio mitocondrial (circular enrollado y retorcido, mas rico en guanina y timidina que el ADN nuclear) • Su ADN y sus ribosomas son mas parecidos a los de los organismos procariontes. GENOMA MITOCONDRIAL Todos DNA circular, excepto Paramecio y Chlamydomonas que es lineal. Longitud del DNA mitocondrial: 5-6 μm; en levaduras de 10 a 30 μm. En plantas superiores desde 30 a 800 μm GENOMA MITOCONDRIAL HUMANO Consta de un poco mas de 16500 pares de bases en dos cadenas: cadena H y cadena L Contiene sólo un par de secuencias reguladoras de ADN Codifica 13 proteínas, 2 rRNA y tRNA En el citosol de la matriz mitocondrial sólo hay 22 tRNA El 99% de las proteínas mitocondriales son de origen nuclear, deben ser importadas por la mitocondria 99 % 1% VARIACIÓN DE ADN MITOCONDRIAL GENOMA MITOCONDRIAL DIFERENCIAS EN EL CÓDIGO GENÉTICO TAMAÑOS RELATIVOS DE GENOMA MITOCONDRIAL EL GENOMA MITOCONDRIAL ANIMAL ES EL SISTEMA GENÉTICO MÁS SENCILLO La velocidad de sustitución nucleotídica en los genes mitocondriales es 10 veces mayor que en los nucleares debido a: Menor fidelidad en la replicación Menor reparación Baja presión de selección Copias múltiples Además: Algunos genes tienen intrones Hay poliadenilación pero no CAP Baja presión de selección Copias múltiples HERENCIA MATERNA FISION-FUSION Las mitocondrias son dinámicas: intercambiar su morfología entre redes elongadas e interconectadas y arreglos fragmentados y desconectados. Estos eventos permiten la transmisión de moléculas de señalización y el intercambio de metabolitos dentro de la célula y participan en una amplia variedad de procesos biológicos, que incluyen el desarrollo embrionario, el metabolismo, la apoptosis y la autofagia. Los cambios en la morfología mitocondrial participan en el desarrollo cardiaco, la respuesta al daño por isquemia-reperfusión, la insuficiencia cardiaca y la Diabetes mellitus. La dinámica mitocondrial se altera en diversas enfermedades cardiacas, en especial en la insuficiencia cardiaca. ¿Nuevo blanco terapéutico? Fisión Fusión FISION Biogénesis: Se dividen: . Para sustituir mitocondrias viejas . Antes de la mitosis . Según necesidades metabólicas La estrangulación se origina por alargamiento mitocondrial progresivo, seguido por un estrangulamiento que escinde la mitocondria en dos. La bipartición es consecuencia de la fusión de la membrana mitocondrial interna, originada por el crecimiento de las crestas en una región determinada, seguida de la invaginación y fusión en la misma zona, de la membrana mitocondrial externa. Esta forma de originarse las mitocondrias hace que la información genética (genes no nucleares) pase a las mitocondrias hijas (herencia citoplasmática) CONTACTO ENTRE MITOCONDRIAS Y REL Interacciones físicas marcadas entre REL y mitocondrias. Se las llama MAMs (del inglés mitochondriaassociated ER membranes) Son esenciales para el intercambio de calcio, lípidos y otros metabolitos. EN ALGUNAS PATOLOGÍAS COMO LA OBESIDAD Reorganización de las MAMs, que aumentan, y se produce sobrecarga de calcio intramitocondrial, disminuye la capacidad oxidativa de las mitocondrias y aumenta el estrés oxidativo. Se puede inducir experimentalmente. Hay proteínas involucradas como PACS-2 o IP3R1: en ratones obesos la downregulación de estas proteínas mejora el metabolismo mitocondrial. La interacción excesiva entre REL y mitocondrias provoca patologías metabólicas y podría contribuir a la resistencia a insulina y la diabetes. El otras patologías, como el cáncer En las células tumorales las mitocondrias son diferentes estructural y funcionalmente. Participan activamente en la reprogramación celular. Tienen sobreproducción de ROS que inducen inestabilidad genómica modificando la expresión de genes, promoviendo el desarrollo de cáncer. J. Cell. Physiol. 231: 2570–2581, 2016. 2016. Esclerosis múltiple INDUCCIÓN DE SITIOS DE CONTACTO MITOCONDRIAS-REL RAPAMICINA Las mitocondrias, además de proveer energía pueden inducir la muerte celular. La respiración mitocondrial es controlada por la concentración de Ca2+ en la matriz mitocondrial. La concentración de Ca2+ en la matriz es a su vez controlada por la incorporación y la liberación vía transporte unidirección y por el intercambiador Na+/Ca2+ , respectivamente. En el músculo cardíaco, se demostró que la incorporación de calcio mitocondrial depende de la interacción con el retículo sarcoplásmico en microdominios y no tanto del calcio citosólico. Esta comunicación incluye también ATP y especies reactivas de oxígeno (ROS). ¿Implicancias? Las mitocondrias pueden usar piruvato y ácidos grasos. Ambos son transportados a la matriz y convertidos a Acetil CoA Los electrones de alta energía son transferidos a la cadena respiratorio. Piruvato y ácidos grasos : Acetil CoA , ciclo de Krebs. Se reduce NAD a NADH y FAD a FADH2. En la fosforilación oxidativa los electrones de alta energía del NADH y FADH2 son transportados por la cadena respiratoria hasta el último aceptor, el oxígeno. El transporte genera un gardiente de protones que es usado para sintetizar ATP vía la ATP sintetasa. También puede ingresar el NADH generado por la glicolisis. Para esto se utiliza un “shuttle” ORIGEN La antigüedad de las mitocondrias: se calcula en unos dos mil millones de años Aunque se identificaron en 1800, el modo en que surgieron y se integraron en las células sigue siendo discutido ORIGEN. LAS PREGUNTAS MÁS FRECUENTES SON: ¿Qué papel jugó el ancestro mitocondrial que inició la endosimbiosis? Las mitocondrias se originaron en condiciones anoxicas, microóxicas u óxicas? ¿Se originaron simultáneamente o subsecuentemente a la aparición del núcleo? ¿Cuál/es fueron las fuerzas detrás de la simbiosis inicial? ¿Por qué conservan ADN codificante? ¿Qué pasó con los genes del endosimbionte? 250 genes nucleares para mantener el genoma mitocondrial EVOLUCIÓN ORIGEN 0,8 y 2 billones de años atrás EL ÉXITO DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS Mitochondrial Gene Expression: A Playground of Evolutionary Tinkering. Walter Neupert Annual Review of Biochemistry, 85: 65-76. 2016 THEODOSIOUS DOBZHANKSY “NOTHING IN BIOLOGY MAKES SENSE, EXCEPT IN THE LIGHT OF EVOLUTION”