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Tema 9. Mitocondrias.
Introducción Mitocondrias Biogénesis de las mitocondrias Genoma de la mitocondria Necesidad de los sistemas genéticos en la mitocondria Translocación de proteínas a la mitocondria Ciclo del ácido cítrico Quimiosmosis Transporte de electrones Cadena transportadora Complejos enzimáticos Transporte de protones Formación de agua Síntesis de ATP Papel de la mitocondria en el metabolismo celular Origen evolutivo de las mitocondrias
IntroduccióIntroducciónn
En el citosol se forma ATP a partir de la energía de la oxidación parcial de moléculas de carbohidratos ricas en energía ( glucolisis anaerobia ). Pero muy temprano en la historia de la vida apareció una forma de generar energía mucho más eficaz. Este proceso necesita una membrana :
- los procariotas usan su membrana plasmática para producir ATP
- los eucariotas usan membranas especializadas del interior de: las mitocondrias , presentes en células de virtualmente to- dos los eucariotas los plástidos , sobre todo cloroplastos, que están sólo en plantas y algas Estos orgánulos poseen gran cantidad de membrana interna.
La ruta que usan las mitocondrias, cloroplastos y procariotas para realizar este proceso es el acoplamiento quimiosmótico. Refleja una unión entre reacciones de formación de enlaces quími- cos, que generan ATP ( quimio ), con procesos de transporte de membrana ( osmótico ). Fig 14-2 de Alberts, 08 2
IntroducciIntroduccióón (n (cont.cont.))
Son llevados a cabo por proteínas embebidas en las membranas en cuestión. Se genera un gradiente electroquímico de protones que se usa en estos orgánulos para otros propósitos.
MitocondriasMitocondrias
Han sido esenciales para la evolución de los animales su- periores. Sin ellas, los animales actuales tendrían que depender de la glucolisis anaerobia para obtener todo su ATP (oxida- ción parcial de la glucosa). En las mitocondrias, el metabolismo de la glucosa es com- pleto. Rinde 15 veces más ATP del que se produce por la gluco- lisis. Las mitocondrias son cilindros rígidos, alargados, con un diámetro de 0,5-1μm, que se parecen a bacterias. Fig 14-4 de Alberts, 08 (^3)
Mitocondrias (Mitocondrias (cont.cont.))
diferentes. Juntas, crean dos compartimentos mitocondriales separados:
- la matriz interna
- el espacio intermembrana , mucho más pequeño Cada membrana y espacios que determinan, contienen una colección única de pro- teínas. La mayoría de las aproximadamente 1.000 proteínas que contienen, son codifica- das por el genoma nuclear, e importadas a la mitocondria desde el citoplasma. La membrana externa contiene muchas moléculas de porina , una proteína trans- portadora que forma grandes canales acuosos a través de la bicapa.
Son orgánulos muy móviles y plásticos y cambian de forma constantemente. Se pueden fundir entre sí y separarse de nuevo. Cada mitocondria está rodeada de dos mem- branas muy especializadas, con funciones
Fig 14-6 de Alberts, 08
cadena respiratoria (transportadora de electrones). Los procesos de replicación y transcripción del ADN del orgánulo y síntesis de proteínas tienen lugar en la matriz mitocondrial. La maquinaria de síntesis de proteínas de la mitocondria ( como la de los cloro- plastos ), es similar a la de las bacterias La membrana interna está generalmente muy plegada formando las crestas , que se proyectan hacia la matriz. Estas crestas aumentan mucho el área de la membrana interna. El número de crestas es 3 veces más grande en las mitocondrias del músculo car- diaco que en las del hígado, por la gran demanda de ATP que tienen las primeras.
Mitocondrias (cont.Mitocondrias (cont.))
BiogéBiogénesis de las mitocondriasnesis de las mitocondrias
Fig 14-55B de Alberts, 08
Las mitocondrias surgen del crecimiento y divi- sión de mitocondrias existentes. Cada mitocondria debe doblar su masa en ca- da división celular y luego ser distribuidas a cada célula hija.
La fusión rescata a otra mitocondria del estrés porque se difunden y comparten las moléculas de la mitocondria funcional en la no funcional.
Biogé Biogénesis de las mitocondrias (nesis de las mitocondrias (cont.cont.))
Las células que no se dividen, deben reponer mitocondrias que son degradadas en un proceso de reciclaje continuo. Las mitocondrias en células vivas son dinámicas, se dividen frecuentemente, se funden y cambian de forma. La fisión y la fusión de estos orgánulos es un proce-
La biogénesis de nuevas mito- condrias requiere adición de pro- teínas y lípidos. Las mitocondrias no sintetizan lípidos; tienen que importarlos. En las células animales, la fosfa- tidilcolina, fosfatidilserina y
Fig 14-56A de Alberts, 08
so complejo, porque están rodeados de una doble membrana. Las tasas relativas de fisión y fusión mitocondriales son reguladas por GTPasas , que residen en las membranas mitocondriales.
Fig 1 de Youle y van der Bliek, 12 8
fosfatidiletanolamina son transferidas desde el RE a la membrana externa de la mitocondria. Este importe puede ser directo, por contacto entre membranas. Puede ser también indirecto, desde otras membranas, no del RE. Se cree que podría haber mecanismos específicos de transferencia de lípidos que operen entre membranas adyacentes. También podría haber proteínas solubles transportadoras de lípidos, que transferirían fosfolípidos individuales entre membranas. La mitocondria descarboxila los fosfolípidos importados y cataliza la
Fig 14-56 B de Alberts, 08
BiogBiogéénesis de las mitocondrias (nesis de las mitocondrias (cont.cont.))
Fig 14-52 de Alberts, 08
Marcado el ADN nuclear y el mitocondrial
conversión de los lípidos importados en cardiolipina. Las proteínas necesarias para el crecimiento y proliferación de estos orgánulos son codificadas en 2 lugares, lo que com- plica el proceso:
- el genoma nuclear y
- los genomas separados de cada una de las mitocondrias La mayoría de las proteínas de la mitocondria son codifica-
Los residuos (componentes dañados en negro) pueden segregarse (distribuirse asimétricamente) a una mitocondria por fisión y quedar otra mitocondria funcional. La primera se destruye por autofagia (mitofagia).
Fig 2 de Youle y van der Bliek, 12
BiogBiogéénesis de las mitocondrias (nesis de las mitocondrias (cont.cont.))
Fig 14-53 de Alberts, 08
das por genes nucleares , sintetizadas por ribosomas citosólicos e importadas al orgánulo. Las proteínas que median los procesos genéticos en la mitocondria, son exclusivas del orgánulo. Pero la mayoría de ellas son codificadas por el genoma nuclear.
El ADN del orgánulo codi- fica otras proteínas del or- gánulo. Son sintetizadas por ribo- somas del orgánulo, usando ARNm producido
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Genoma de la mitocondria (Genoma de la mitocondria (cont.cont.))
Sus genes están muy empaquetados y queda muy poco espacio para secuencias de ADN re- guladoras. Carece de intrones. El ADN mitocondrial se hereda de la madre.
Fig 14-59 de Alberts, 08
Necesidad de los sistemas genéNecesidad de los sistemas genéticosticos
en la mitocondriaen la mitocondria
Mantener sistemas genéticos separados, es ca- ro para la célula. Más de 90 proteínas deben codificarse en el núcleo, específicamente para la mito- condria. El núcleo debe tener al menos 90 genes, sólo para mantener el sistema genético de cada orgánulo. No está clara la razón para este arreglo tan costoso. Tampoco por qué las proteínas que se fabrican en estos orgánulos deben fabricar-
se en ellos y no en el citosol. Los sistemas genéticos de estos or- gánulos podrían ser simplemente un final evolutivo.
Fig 14-66 de Alberts, 08 (^14)
Necesidad de los sistemasNecesidad de los sistemas
genégenéticos en la mitocondriaticos en la mitocondria
(cont.(cont.))
TranslocacióTranslocación de proten de proteíínas a la mitocondrianas a la mitocondria
Las proteínas que entran en la mitocondria son importadas, completamente sin- tetizadas, desde el citosol ( importe post-traduccional ). Son proteínas precursoras ya que tienen una o más secuencias señal. Estas secuencias dirigen a todas las proteínas precursoras al subcompartimen- to de la mitocondria adecuado. Las proteínas que van a la matriz contienen una secuencia señal en su extremo N- con aminoácidos cargados positivamente. Una peptidasa señal corta rápidamente esta secuencia después del importe. Otras proteínas (de la membrana externa y del espacio intermembrana) tienen
Fig 12-22A y B de Alberts, 08 15
α-hélice anfifílica Azul y rojo = aminoácidos polares Amarillo: aminoácidos no polares
una secuencia señal interna que no es elimi- nada. Las secuencias señal que dirigen a la proteína precursora a la matriz forman una α-hélice an- fifílica. Los residuos cargados positivamente se agru- pan en un lado de la hélice y los hidrofóbicos no cargados se agrupan en el lado opuesto.
TranslocaciTranslocacióón de proten de proteíínas a la mitocondria (nas a la mitocondria (cont.cont.))
Proteínas receptoras de la membrana ex- terna de la mitocondria reconocen esta con- figuración e inician la translocación. La translocación a través de las membranas mitocondriales se lleva a cabo por translo- cadores proteicos con muchas subunida- des. Algunos de los componentes actúan como receptores para las proteínas mitocondria- les (Tom20, Tom5) y otros forman los cana- les de translocación ( Tom40 ). Los complejos son:
- complejo TOM: está en la membrana ex- terna y ~ transporta las secuencias señal de la proteína entrante al espacio intermem-
Fig 11.4 de Cooper, 5ª ed 16
TranslocacióTranslocación de proten de proteíínas a la mitocondria (nas a la mitocondria (cont.cont.))
Fig 12-25 de Alberts, 08
Ahí se une a un complejo TIM, abriendo el canal de este com- plejo. La cadena polipeptídica entra entonces, bien a la matriz, o se inserta en la membrana interna.
Hidrólisis de ATP y potencial de membrana:
El transporte direccional requiere energía , que es suministrada por varias fuentes en distintos pasos del proceso de importe:
- hidrólisis de ATP : fuera de la mitocondria, para la unión y liberación de polipép- tidos a/de las chaperonas Hsp70, que mantienen a la proteína desplegada.
- gradiente electroquímico de H+^ a través de la membrana mitocondrial inter- na : se necesita para la translocación a través del canal TIM
Hidrólisis de ATP y potencial de membrana (cont.):
Se produce por el bombeo de H+, desde la matriz al espacio intermembrana, con- ducido por el proceso de transporte de electrones
- hidrólisis de ATP : se necesita para que, un complejo que contiene Hsp70 mito- condriales que está en la matriz mitocondrial unido a TIM23, pueda tirar de la pro- teína entrante hacia la matriz, tan pronto emerge del translocador TIM.
Fig 12-26 de Alberts, 08
Luego, la Hsp70 libe- ra la proteína, tam- bién de forma depen- diente de ATP. Fig 11.5 de Cooper, 5ª ed
La Hsp60 mitocondrial ayuda a plegarse a la proteína importada uniéndose y separándose de ella por ciclos de hidrólisis de ATP.
Hidrólisis de ATP y potencial de membrana (cont.):
Inserción de porinas en la membrana externa:
Las porinas en barril-β de la membrana mitocondrial externa son importadas primero por el complejo TOM y transportadas al espa- cio intermembrana. En él, se unen transitoriamente a chaperonas que evitan que las porinas se agreguen.
Fig 10-26 de Alberts, 08
Fig 12-27 de Alberts, 08
Luego se unen al complejo SAM de la mem- brana externa, que las inserta y ayuda a plegarse adecuadamente.
Transporte a la membrana interna y al espacio intermembrana:
Los translocadores TOM y TIM23 median también la translocación inicial de muchas proteínas destinadas a la membrana mitocondrial interna y al espacio inter- membrana.
cuencia señal N-terminal y una o más secuencias hidrofóbicas, después de la señal N-terminal. Estas funcionan como secuencias de paro de la transferencia. Sólo entra en la matriz la secuencia señal N-termi- nal. La señal hidrofóbica evita que siga la translocación a través de la membrana interna.
Fig 12-28A de Alberts, 08
Fig 11.6 de Cooper, 5ª ed
Para la inserción en la membrana interna, la proteína lleva la se-
Transporte a la membrana interna y al espacio intermembrana (cont.):
un proceso que requiere del potencial de membrana. El tráfico de proteínas entre el citosol y la mitocondria es unidireccional. Sólo son exportadas proteínas fuera cuando la célula va a sufrir apoptosis.
Ciclo delCiclo del áácido ccido cíítrico (ciclo detrico (ciclo de KrebsKrebs))
El proceso de síntesis de ATP en la mitocondria se inicia por el ciclo del ácido cítri- co, que tiene lugar en la matriz mitocondrial.
Fig 14-10 de Alberts, 08
Reacción de nexo
La mitocondria usa como combustible para este ciclo:
- piruvato : entra desde el citosol donde se ha produ- cido a partir de glucosa y otros azúcares ( glucolisis anaerobia ) y
- ácidos grasos: también provienen del citosol Estas moléculas son transportadas a través de la mem- brana mitocondrial interna y convertidas en acetil CoA , por enzimas de la matriz mitocondrial ( reacción de ne- xo ).
a la membrana mitocondrial interna, por las moléculas transportadoras activadas 3 NADH y 1 de FADH2. En la membrana mitocondrial interna, NADH y FADH 2 ceden los electrones a la ca- dena transportadora de electrones, regenerándose NAD +^ y el FAD. Aunque el ciclo del ácido cítrico se considera parte del metabolismo aeróbico, él no usa oxígeno.
El acetil CoA es entonces oxi- dado en la matriz por el ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico rinde:
- CO 2 , que la célula libera como producto de desecho
- electrones de alta ener- gía , que son transportados
Ciclo delCiclo del áácido ccido cíítrico (ciclo detrico (ciclo de KrebsKrebs))
Fig 14-9 de Alberts, 08
Es la ruta común usada por las mitocondrias, cloroplastos y procariotas para aprove- char la energía.
QuimiQuimióósmosissmosis
Acopla reacciones de formación de enla- ces químicos , que generan ATP con procesos de transporte a través de la membrana. Estos procesos ocurren en la membrana interna en dos etapas:
- Electrones de alta energía son trans- feridos a lo largo de transportadores de electrones, embebidos en la membra-
QuimióQuimiósmosissmosis ((cont.cont.))
Fig 14-1 de Alberts, 08
na. Esto libera energía que es usada para bombear H+^ a través de la membrana in- terna. Así se genera un gradiente electroquímico de protones. Es una forma de energía almacenada que se usa para varios fines.
- Los H+ fluyen de vuelta , a favor de gradiente electroquímico a través de la ATP sintasa , lo que proporciona la energía para la síntesis de ATP , a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).
QuimiQuimióósmosissmosis ((cont.cont.))
El término fosforilación oxidativa se usa para describir estas reacciones. El gradiente electroquímico de protones maneja también otras má- quinas embebidas en la membrana. La transferencia de electrones a través de la cadena transportadora
Fig 14-2 de Alberts, 08
Fig 14-3A de Alberts, 08
de electrones, conducirá al final a la reducción del O 2 a agua.
La reacción energéticamente favorable: H 2 + ½O 2 → H 2 O ocurre en muchos pasos pequeños, de forma que la mayor parte de la energía liberada puede ser almacenada.
Dos tipos de proteínas hierro- azufre.
Cadena transportadora: Los componentes moleculares de la cadena transportadora son:
- los citocromos: las células contienen citocromos de varios ti- pos; son proteínas coloreadas, que tienen un grupo hemo unido, que consiste en un anillo de porfirina con un átomo de hierro, mantenido por 4 átomos de N en las esquinas de un cuadrado. Hay 6 grupos hemo diferentes
- las proteínas hierro-azufre en las que 2 o 4 átomos de hierro se unen a un número igual de átomos de azufre y a cadenas laterales de cisteína , formando un centro hierro-azufre en la proteína. Hay más de 7 centros hierro-azufre.
- la quinona es el único transportador que no es parte de una proteína
Transporte de electrones (Transporte de electrones (cont.cont.))
Fig 14-22 de Alberts, 08
Además de estas moléculas hay dos átomos de cobre y una flavina. Estos sirven como transportadores de electro- nes, unidos a proteínas de la cadena.
Fig 14-23 de Alberts, 08
los electrones que su predecesor. Los electrones pasan secuencialmente, de un complejo a otro, hasta que finalmente son transferidos al oxígeno.
Cadena transportadora (cont.):
Transporte de electrones (Transporte de electrones (cont.cont.))
Fig 14-24 de Alberts, 08
La mayoría de las proteínas implicadas en el transporte están agrupadas en tres grandes complejos enzimáticos. Cada uno contiene proteínas transmembrana, que anclan el complejo a la membrana mito- condrial interna. Cada complejo tiene una afinidad mayor por
Fig 14-14 de Alberts, 08
Complejos enzimáticos: Están orientados asimétricamente en la membrana interna y ligados en se- rie. Son:
- el complejo NADH deshidrogenasa ( complejo I ): acepta electrones del
32
- el complejo citocromo oxidasa también funciona como un dímero; cada monó- mero contiene varias cadenas polipeptídicas, incluyendo a 2 citocromos y 2 áto- mos de cobre. En la mayor parte de la cadena, los electrones pasan de un ión metálico a otro. La ordenada transferencia de electrones a lo largo de la cadena se debe a que ca- da transportador de electrones sólo interacciona con el adyacente en la secuencia.
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Transporte de electrones (Transporte de electrones (cont.cont.))
Complejos enzimáticos (cont.): NADH y los pasa, a través de una fla- vina y al menos 7 centros hierro-azu- fre, a la ubiquinona , que los transfiere al complejo siguiente.
- el complejo citocromo b-c1 que fun- ciona como un dímero; cada monóme- ro contiene 3 hemo unidos a citocro- mos y una proteína hierro-azufre. Pasa los electrones al citocromo c , Fig 14-23 de Alberts, 08 que los pasa al último complejo.
Transporte de electrones (Transporte de electrones (cont.cont.))
Complejos enzimáticos (cont.):
Parte de ella se utiliza para bombear H +^ a través de la membrana interna. Parece que el trans- porte de electrones produce cambios conformacionales en los complejos proteicos, lo que hace que se bombee H+. Este tipo de bombeo de H +^ requiere al menos 3 confor- maciones distintas de la proteína que bombea.
Fig 14-29 de Alberts, 08
La energía libre de los electrones cae a lo largo de la cadena respiratoria, en 3 grandes etapas, a tra- vés de cada uno de los complejos respiratorios. Cuando un electrón se transfiere entre los comple- jos se libera energía libre.
Fig 14-31 de Alberts, 08 34
SSííntesis de ATPntesis de ATP
El gradiente electroquímico de protones a tra- vés de la membrana mitocondrial interna, conduce a la síntesis de ATP como parte del proceso de la fosforilación oxidativa. Se lleva a cabo por la enzima de la membra- na, ATP sintasa (bomba tipo F).
Se llama también ATPasa F0F1 y es una proteína con múltiples subunidades y una enorme masa molecular. Trabaja por catálisis giratoria. Está compuesta por:
- una gran porción enzimática, la ATPasa F1 , que constituye un anillo de 6 subunidades y se proyecta hacia la matriz desde la membrana mitocondrial in- terna. Tres de las 6 subunidades de la cabeza contienen si- tios de unión para ADP y Pi. Fig 14-15 de Alberts, 08 37
Fig 14-14 de Alberts, 08
F
- una porción transmembrana ( F0 ) for- mada también por múltiples subunida- des. Incluye: ¤ un rotor (c) que puede girar y ¤ un estator (a) con un pedúnculo que acaba en de la cabeza enzimática Entre el rotor y el estator hay un canal estrecho hidrofílico, de transporte de H+
SíSíntesis de ATP (ntesis de ATP (cont.cont.))
- el brazo alargado (b) del estator, que mantiene a la cabeza, atándola al grupo de proteínas transmembrana Los protones pasan, a favor de gradiente electroquímico y su mo- vimiento hace girar como un trompo al rotor. El giro también mueve el pedúnculo del rotor ( azul ), que gira rá- pidamente dentro de la cabeza enzimática F1.
Fig 14-15 de Alberts, 08
estator
rotor pedúnculo
Fig 11.13 de Cooper, 5ª ed
Fig 12-26 de Lodish, 7ª ed
Fig 12-28 de Lodish, 7ª ed
SíSíntesis de ATP (ntesis de ATP (cont.cont.))
Subunidad γ de F1 gira respecto al hexámero (αβ)3. (αβ)3 adherido a una placa de cristal. Subunidad γ adherida a filamento de actina fluores- cente. 39
ATPasa en la membra- na plasmá- tica de la bacteria.
Como resultado de este rozamiento entre proteínas (tallo móvil y cabeza estática), la energía química del flujo de protones a favor de gradiente, se convierte en energía mecánica.
Así, el paso de los protones a través de la ATP sintasa, se usa para la reacción energéticamente desfavorable entre ADP y Pi para fabricar ATP. En este proceso, la energía mecánica es convertida en los enlaces de energía química del ATP. La ATP sintasa es capaz de producir más de 100 moléculas de ATP por segundo, y 3 moléculas de ATP por revolución. El gradiente electroquímico de H+^ maneja otros procesos además de la síntesis de ATP:
SíSíntesis de ATP (ntesis de ATP (cont.cont.))
Fig 14-16 de Alberts, 08 (^40)
- la entrada a la mitocondria de piruvato y Pi , que son cotransportados ( simporte ) con los H+ , cuando entran en la matriz.
- la entrada de ADP y salida del ATP sinteti- zado, que son cotransportados en direccio- nes opuestas por una única proteína trans- porta dora ( antiporte ).
