MITOCONDRIAS - U

MITOCONDRIAS
“The incredible Machine”
Nat. Geographic Soc. 1985
Dr. Alejandro Roth.
Biología Celular 2010
Las Mitocondrias: Resumen
1. Son organelos característicos de las células eucarióticas, resultado de un
evento endosimbiótico.
2. En ellas se produce una serie de reacciones de óxido-reducción cuya energía
libre es utilizada para la síntesis de ATP.
3. En las células aeróbicas, el piruvato formado en la glicólisis (anaeróbica)
transportado a la mitocondria donde es oxidado a CO2.
es
4. Estas reacciones de oxido-reducción permiten generar una diferencia en la
concentración de protones entre el interior y el exterior de la membrana interna
de las mitocondrias. El transporte de los protones a favor de su gradiente de
concentración (!G<<0) permite acoplar fosfato a ADP, generando el grueso del
ATP producido por la conversión de glucosa a CO2.
5. Si las mitocondrias son dañadas desencadenan procesos de Muerte Celular:
Producción de Radicales Libres
Liberación de Citocromo C (señal apoptótica)
http://www.dnalc.org/media/a/closer_look.swf
Figure 14-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Origen de las Mitocondrias
Carácterísticas probables de los protoeucariontes
1.
•
•
•
•
Células Depredadoras:
Sin pared celular, por lo tanto, capaces de fagocitar.
Gran Tamaño,
Citoesqueleto
Núcleo protegido (de las presas y de las enzimas digestivas).
Carácterísticas probables de las protomitocondrias
1. ¿Parásitos intracelulares? Poco probable debido a su eficiente metabolismo.
2. Cadena transportadora de H+ en la membrana. Probablemente asociada ya a la generación
de energía, pero desarrollada inicialmente para…
3. Sin núcleo definido.
the subsequent co-evolution of the nuclear and organelle genomes. The host that acquired plastids probably possessed two flagella113. The nature of
the host cell that acquired the mitochondrion (lower right) is fiercely debated among cell evolutionists. The host is generally accepted by most to
have an affinity to ARCHAEBACTERIA but beyond that, biologists cannot agree as to the nature of its intracellular organization (prokaryotic, eukaryotic
or intermediate), its age, its biochemical lifestyle or how many and what kind of genes it possessed120. The host is usually assumed to have been
unicellular and to have lacked mitochondria.
Eukaryotes
Eucariontes
Plants
Plantas
Early diversification of
algal/plant lineages and
gene transfer to the host
Origin of
plastids
Ancient
protozoon
Early diversification of
eukaryotic lineages and
gene transfer to the host
Ancient
cyanobacterium
Origin of mitochondria
Cianobacterias
Ancient
proteobacterium
The host
that acquired
mitochondria
Protobacterias
Arqueobacterias
Cyanobacteria
Proteobacteria
Endosimbiontes
Intracelulares que derivaron
de procariotes de vidaArchaebacteria
libre han dado origen a
dos organelos citoplasmáticos:
the term ‘
’ was coined to designate these nuclear
divergence indicates recurrent transfer events, from
Las Mitocondrias se originaron
a partir
!-proteobacteria,
mientrasTheque
los
cloroplastos
stretches of mtDNA
ancient to contemporary.
human
genome
has at
. Numts de
have una
been found
in the
least 296 different
numts of between
106 bp and 14,654
, primates
and
nuclear genomes
of grasshoppers
derivan
de
las
cianobacterias.
Ambos
organelos
han
transferido
un
número
sustancial
de genes a sus
bp (90% of the mitochondrial genome) that cover the
shrimps , and are often mistaken for bona fide
An ancient group of organisms
that have ribosomesLas
and cell características
hospederos.
del hospedero de las mitocondrias
son
controversiales,
se sabe que
entire mtDNA circle
mtDNA .
. Other
studies tallied 612 mtDNA
membranes that distinguish
Eukaryotic genome sequences have more fully
insertions in the human genome , a greater number
them from
eubacteria. They
estuvo
relacionado
con
las
ARCHAEBACTERIA
,
pero
se
desconoce
su
organización
intracelular
because different sequence conservation criteria for
exposed the scale of integrated mitochondrial and
sometimes show
cpDNA
in the nuclear genome.
of organelle
identifying
used in
differentReviews
studies . Older
environmentally extreme
(procarionte,
eucarionte
o intermedio)
y Fragments
sus genética
Timmis numts
et al, are
2004,
Nature
Genetics. 123-135
NUMTS
26
27
ARCHAEBACTERIA
28,29
30
31,32
34
35
36
ecology.
NUMT
An acronym to describe nuclear
integrants of mitochondrial
DNA.
DNA are becoming recognized as a normal attribute of
nearly all eukaryotic chromosomes. For example, the
yeast genome contains tracts with 80–100% similarity
to mtDNA that range in size from 22 to 230 base pairs
(bp) integrated at 34 sites33. This range of sequence
numts are more abundant in the human genome than
recent INTEGRANTS, indicating that mtDNA can be amplified once inserted36,37 and many are organized as tandem
repeats35. Barely detectable numts are present in
Plasmodium32, but highly conserved numts have now
NATURE REVIEWS | GENETICS
Organización morfo-funcional de las mitocondrias
Las mitocondrias poseen dos membranas fosfolipídicas que
definen el espacio intermembranas y la matriz.
.
ADN mitocondrial
VOLUME 5 | FEBRUARY 2004 | 1 2 5
Mitocondrias de crestas Laminares
Mitocondrias de crestas tubulares.
Glándula suprarrenal
Reconstrucción de tomografía de mitocondrias
http://www.drjastrow.de/EMAtlasE.html
con crestas laminares. Tejido: grasa parda.
Perkins et al (1998). J. Bioenergetics and Biomembranes, 30, 431-442.
Organización morfo-funcional II
Membrana externa: contiene
proteínas
integrales: enzimas (i.e. monoamino oxidasa y
canales acuosos débilmente selectivos a
aniones (VDACs) y permeables a moléculas
con PMs hasta 4 o 5 KDa.
Membrana interna: Plegada formando las
crestas mitocondriales. Contiene: lípidos
30% ( PC, PE, cardiolipina) y proteínas
integrales (70%):
complejo
multienzimático de la cadena
respiratoria, ATPasa F0F1 o ATP sintetasa,
transportadores y canales iónicos
Matriz mitocondrial: contiene enzimas,
que
participan en la oxidación de piruvato y
ácidos grasos y las del ciclo del ácido
cítrico. Además, DNA mitocondrial, ribosomas,
tRNA y enzimas para la expresión de los genes
mitocondriales.
Cardiolipina, difosfatidilglicerol
Las mitocondrias son organelos móviles y activos
Movimiento: Las mitocondrias no son organelos sésiles. Están asociados al citoesqueleto y
responden a estímulos.
División: ¿qué forma tiene una mitocondria? Estamos acostumbrados a una visión estática,
sin embargo, las mitocondrias forman retículos mitocondirales o se dividen en múltiples
organelos.
Imágenes de Alberts et al.
MBC, 2008
péptido señal de
translocación a
mitocondrías+GFP.
Expresado en
levaduras.
Microscopía Confocal
Mitocondrias en movimiento por sobre citoesqueleto de microtúbulos. Células H9c2 expresan
tubulinaGFP, con las mitocondrias marcadas con mitoDsRed.
Yi et al, 2004. JCB, Volume 167, Number 4, 661-672
Reacciones químicas en la mitocondria
Hay tres grupos de reacciones que ocurren en la membrana interna y la matriz:
1- Oxidación del piruvato o ácidos grasos a CO2 acoplada a la reducción de los compuestos
portadores de electrones NAD+ y FAD a NADH y FADH2.
2- Transferencia de electrones desde el NADH y FADH2 al O2: ocurren en la membrana
interna y están acopladas al transporte de protones y a la generación de una diferencia de
potencial electroquímico de H+ a través de dicha membrana .
3- Captura de la energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones para la
síntesis de ATP por el complejo ATPasa F0F1
H+
e-
H+
e-
H+
FADH2
H+
H+
H+
Lodish et al. 2004
El ATP es un compuesto intermediario clave en una serie de procesos bioquímicos
celulares en los cuales se hidroliza.
ATP
ADP + Pi (HPO4-2)
La energía libre de hidrólisis "Gh del ATP es de aprox. 12 kcal/mol.
De esta
energía, las reacciones más eficientes usan aprox. 7 kcal/mol. El resto, aprox. 5
kcal/mol, se libera al medio en forma de calor.
+2 e+H+
EN RESUMEN:
Para entender las
reacciones en las
mitocondrias:
SIGAN LOS
ELECTRONES
+2 e+2H+
Estructuras del NAD y del FAD en sus formas oxidadas y reducidas
Transporte de sustratos al interior de la mitocondria:
piruvato y Acil-CoA-de-AcGrasos
Activación: de piruvato a Acetil-CoA,
Las mitocondrias pueden usar piruvato (CH3-CO-COO-) o ácidos grasos como combustible,
para formar la importante molécula portadora activada: acetil CoA.
El piruvato generado durante la glicólisis es transportado a través de las membranas
mitocondriales a la matriz. Allí reacciona con la coenzima A para formar acetil CoA, NADH
y CO2 en una reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa.
complejo piruvato deshidrogenasa
Fuente de energía en las mitocondrias:
Oxidación mitocondrial de ácidos grasos
En el citosol los ácidos grasos
libres son esterificados a la
coenzima A para formar
acil-CoA en una reacción
exergónica acoplada a la
hidrólisis de ATP a AMP y PPi.
Las moléculas de acil-CoA se
transportan a la mitocondria
donde son oxidadas a acetil
CoA y moléculas de acil CoA
acortadas en dos átomos de
carbono (n-2).
Al mismo tiempo una
molécula de NAD+ es
reducida a NADH y una de
FAD a FADH2.
Ciclo del ácido cítrico
El paso final de la oxidación de los
carbohidratos y lípidos se produce en el
ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs.
Reacciones por enzimas en la matriz
mitocondrial. Sustrato fundamental es el
acetil CoA.
Primero, un residuo acetilo del acetil CoA
se condensa con una molécula de
oxaloacetato para dar citrato.
Luego, a través de una secuencia de
reacciones (etapas 2 a 8) cada molécula
de citrato es convertida en oxaloacetato
perdiendo 2 moléculas de CO2 en el
proceso.
En el ciclo, cuatro pares de electrones
son removidos de los átomos de
carbono: tres pares de e- son
transferidos a tres moléculas de NAD+
para formar 3NADH + 3H+ y un par es
transferido al aceptor FAD para formar
FADH2.
Ciclo del ácido cítrico
ATP formado =?
Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es el proceso en cual se forma ATP como resultado de la
transferencia de electrones desde el NADH o FADH2 al O2 por medio de una serie de
transportadores de electrones en la membrana interna mitocondrial.
Las reacciones de la vía glicolítica y del ciclo de Krebs producen la conversión de
1 molécula de glucosa en 6 de CO2 y la reducción de 10 NAD+ a 10 NADH y 2 FAD a
2 FADH2.
Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es el proceso en cual se forma ATP como resultado de la
transferencia de electrones desde el NADH o FADH2 al O2 por medio de una serie de
transportadores de electrones en la membrana interna mitocondrial.
Las reacciones de la vía glicolítica y del ciclo de Krebs producen la conversión de
1 molécula de glucosa en 6 de CO2 y la reducción de 10 NAD+ a 10 NADH y 2 FAD a
2 FADH2.
Fosforilación oxidativa
El NADH y el FADH2 transfieren electrones a la cadena respiratoria ubicada en
membrana interna mitocondrial (MIM) constituida por
enzimáticos:
la
tres grandes complejos
el complejo I NADH deshidrogenasa (NADH-CoQ reductasa, 880 kD) , el complejo III
citocromo b-c1 (CoQ-citocromo c reductasa) y el complejo IV citocromo c oxidasa.
proteína soluble
coenzima Q
Fosforilación oxidativa
soluble protein
Cada uno de estos complejos actúa
como una bomba de protones
impulsada por el transporte de
electrones. La pérdida de electrones
regenera las formas oxidadas de NAD
+ y FAD y las formas reducidas del
a c e p t o r. L o s e l e c t r o n e s s o n
finalmente transferidos al O2.
Los "G de estas reacciones son muy
negativos, indicando éstas son
fuertemente exergónicas.
Al pasar electrones de una molécula
transportadora a la otra la energía
liberada es usada para bombear
protones al espacio intermembranas,
generándose una diferencia de
potencial electroquímico de protones
("μH+) a través de la membrana
interna.
coenzima Q (Q)
Síntesis quimiosmótica de ATP
La síntesis de ATP se realiza utilizando la energía almacenada en forma de gradiente
electroquímico de protones a través de la membrana interna, vía la ATPasa F0F1.
Este mecanismo, de un acoplamiento quimiosmótico fue propuesto por Peter Mitchell en
1961, hipótesis que no fue aceptada al comienzo pero después fue comprobada
experimentalmente. P. Mitchell recibió por ello el premio Nobel en 1978.
-120 mV
V
H+
H+
H+
H+
Los 2 componentes del gradiente electroquímico de protones
H+
Síntesis de ATP
La ATPasa F0F1 funciona esencialmente
como un motor molecular.
Están formadas por dos dominios: F1 y
F0
El complejo F0F1 o ATPasa F0F1 acopla el
flujo de protones a favor de su gradiente
a la síntesis de ATP.
Actúa como una ATP sintetasa. (3 H+s/
ATP)
F0 contiene tres tipos de subunidades a,
byc.
F1 está compuesto de 5 polipéptidos
diferentes: !, #, $, % y &,
Síntesis de ATP
La ATPsintasa
(o
sintetasa) es en esencia
un motor molecular.
Están formadas por dos
dominios: el rotor y la
porción F1/F0
El rotor permite acoplar el
flujo de protones a favor
de su gradiente de
concentración a la síntesis
de ATP realizada por el
complejo F0F1
Actúa como una
ATP
sintetasa. (3 H+s/ATP)
F0 contiene tres tipos de
subunidades a, b y c .
F1 está compuesto de 5
polipéptidos diferentes: !,
#, $, % y &,
¿cómo evolucionó?
Los motores moleculares con carácterísticas similares a la F0F1 ATP-sintetasa pueden
rastrearse a su similitud con los flagelos bacterianos.
¿cómo evolucionó?
Los motores moleculares con
carácterísticas similares a la F0F1 ATPsintetasa pueden rastrearse a su
similitud con los flagelos bacterianos.
ATPasas de membrana tipo F
Están presentes en las membranas plasmáticas de las bacterias, en la membrana tilacoide de
cloroplastos y en la membrana interna de las mitocondrias.
Catalizan la reacción de síntesis de ATP ("G > 0) a partir de ADP y Pi.
La energía proviene del gradiente de potencial electroquímico de protones (H+) a través de la
membrana generado por la actividad de la cadena transportadora de electrones. Es decir,
actúan como ATP sintetasas.
Al igual que las ATPasas tipo V están formadas por dos dominios: F1 y F0
El complejo integral F0 contiene tres tipos de subunidades a, b y c: (a1b2c10 en bacterias) y
contiene el canal a través del que se transportan los protones. El complejo F1 está compuesto
de 5 polipéptidos diferentes :!,", y #.
ADP + Pi
ATP
lumen mitocondria
Lodish et al. 2000
H+
H+
H+
H+
H+
espacio inntermembranas
ATPasas de membrana tipo V
Presentes en las membranas de las vacuolas y en organelos como lisosomas, retículo
endoplásmico, cisternas del aparato de Golgi y vesículas cubiertas, bombean
electrogenicamente H+ desde el citosol al lumen del organelo (hidrolizando ATP).
Una cabeza (V1) hidrofílica que está orientada hacia el citoplasma y donde se realiza la
hidrólisis del ATP.
H+
H+
H+
lumen organelo
citosol
H+
Lodish et al. 2000
Bombas iónicas o ATPasas transportadoras de iones
En las membranas celulares existen proteínas integrales bombas iónicas o ATPasas
transportadoras de iones que conducen activamente iones usando como fuente de energía el
"Gq de hidrólisis del ATP:
Se encuentran en las membranas plasmáticas de células animales, vegetales y bacterias y en
membranas de organelos (mitocondrias, cloroplastos, vacuolas, endosomas, etc.).
Existen tres tipos de bombas iónicas: ATPasas de membrana tipo P, tipo V y Tipo F, que se
diferencian por su estructura molecular así como por el mecanismo de transporte activo.
ATPasas de membrana tipo P
Están presentes en las membranas plasmáticas de células eucarióticas y en organelos como
retículo endoplásmico, aparato de Golgi. Están formadas por una o dos cadenas polipeptídicas y
durante el ciclo de transporte forman un intermediario fosforilado. El modelo más aceptado del
mecanismo catalítico de estas ATPasas tipo P es el siguiente :
Mg2+
C i + + E1
E1Ci+ + ATP
E1Ci+Pi
E1Ci+ATP
E2Ci+Pi
E2
E1Ci+Pi + ADP
E2 + Ce+ + Pi
E1
Esquema del ciclo de transporte de Na+ y K+ por la bomba de sodio
Es la más estudiada de las bombas tipo P. Está presente en las MPs de las células animales y mantiene
los gradientes de concentración de Na+ y K+ entre la célula y el medio extracelular.
Transporta 3 iones Na+ hacia el espacio extracelular y 2 K+ hacia el citosol utilizando una molécula de
ATP por cada ciclo de transporte.
K+ release
(intracellular)
Lodish et al. 2004
Transporte de metabolitos en la mitocondria
La energía del gradiente electroquímico de
protones también se utiliza para el transporte
activo a través de la MIM de una serie de
metabolitos que participan en las reacciones que
ocurren en la matriz mitocondrial, en cotransporte o contra-transporte con H+.
El transporte de PO4-3 y piruvato hacia la matriz
es mediado por transportadores que acoplan la
entrada de fosfato y piruvato con el flujo de H+ a
favor de su gradiente electroquímico.
La entrada de ADP a la matriz es mediada por un
contratransportador, acoplada a la salida de ATP,
en un proceso impulsado por el gradiente de
potencial. El potencial de membrana impulsa
también la acumulación de Ca2+.
Ca2+
Comparación de la combustión con las oxidaciones biológicas
(A) Si el hidrógeno se quemara la mayor parte de la energía se liberaría como calor.
(B) En contraste, en las oxidaciones biológicas la energía liberada es almacenada en una
forma útil para la célula por medio de la cadena transportadora de electrones.
El resto de la energía de oxidación es liberada como calor.
Resumen de la fosforilación oxidativa en mitocondrias
http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n5/animation/nrg0501_342a_swf_MEDIA1.html
Enfermedades Mitocondriales
Fallas de mecanismos mitocondriales se han observado en diversas patologías:
Cáncer, infertilidad, diabetes, enfermedades cardiovasculares, ceguera, sordera, falla renal,
fallas hepáticas, migrañas, etc..
La capacidad de generar radicales libres las relacionan con envejecimiento y enfermedades
neurodegenerativas.
Las primeras enfermedades mitocondriales fueron descritas en 1988
Cuando son enfermedades genéticas son difíciles de diagnosticar por que:
•
La herencia puede ser materna si la falla está en el genoma mitocondrial, pero entra a jugar
el número de mitocondrias mutantes (los individuos presentan diferentes niveles de afección
en diferentes lugares del cuerpo).
•
La mutación puede ser autosomal (estár localizada en un gen nuclear que codifica una
proteína mitocondrial.
•
La mutación puede surgir espontáneamente en un individuo
Dudas sobre las Mitocondrias
•
•
•
•
•
•
¿Qué función cumple la
presencia de 2 membranas?
¿Cuál de las dos membranas
es crucial para la función de las
mitocondrias?
¿Cómo se obtiene la energía
para sintetizar ATP?
¿qué es una gradiente
electroquímica?
¿Por qué presentan crestas
mitocondriales? ¿qué formas
tienen?
¿Cómo se hace una tomografía
de una mitocondria en base a
microscopía electrónica?
2
+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
•
•
•
•
•
•
¿cuáles son los posibles
orígenes de las mitocondrias?
¿qué evidencia tenemos de
esto?
¿Como se define simbiosis?
¿Cuál es la función de la
cardiolipina?
¿qué tipo de proteína es la ATP
sintasa?
¿En que se diferencia la ATP
sintasa de la Na/K ATPasa?
¿Qué enfermedades
mitocondriales pueden afectar
los tejidos de manera
diferencial?
+ 2 NADH +
2 H+ + 2 ATP + 2 H2O