¡Descarga Mitocondrios: Función, Organización y Biogénesis - Prof. Barrios y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity!
11- Mitocondris
Una activitat fonamental de totes les cèl·lules és generar energia metabòlica. Un dels dos orgànuls encarregats de generar l’energia són els mitocondris, dedicats específicament al metabolisme energètic i a la producció d’ATP. Generen l’energia a partir de la degradació dels lípids i dels carbohidrats. Les proteïnes destinades als mitocondris no es sintetitzen als ribosomes de la membrana del reticle sinó que ho fan als ribosomes lliures del citosol i hi són traslladades en forma de cadenes polipeptídiques completes. A més a més, tenen el seu propi genoma, que conté alguns gens que es transcriuen i tradueixen al seu interior. El mitocondri, organització i funció: Els mitocondris estan rodejats per un sistema de doble membrana, constituït per una membrana mitocondrial interna i una membrana mitocondrial externa amb el corresponent espai intermembrana. La membrana interna forma nombrosos plecs o crestes que s’estenen cap a l’interior, cap a la matriu. Cadascun d’aquests components té un paper funcional diferent. La matriu conté el genoma mitocondrial i els enzims responsables de les reaccions del metabolisme oxidatiu. A l’interior es produeix la oxidació del piruvat (provinent de glucosa degradada al citosol cel·lular) fins a CO 2 produint ATP. Aquesta degradació, junt amb la obtenció de poder reductor amb NADH i FADH 2 , es realitza al cicle de Krebs o cicle de l’àcid cítric. Els electrons d’alta energia del NADH i el FADH 2 es transfereixen a l’oxigen molecular a través de
transportadors de membrana. L’energia derivada d’aquestes reaccions de transferència d’electrons es converteix en energia potencial acumulada en forma de gradient de protons a través de membrana i s’utilitza per sintetitzar ATP. La membrana mitocondrial interna és la principal interventora en la síntesi d’ATP i conté la majoria de les proteïnes que intervenen en la fosforilació oxidativa i el transport de metabòlits entre el citosol cel·lular i el mitocondri. La membrana mitocondrial interna és, alhora, impermeable a ions i molècules petites. La membrana mitocondrial externa, en canvi, és permeable a molècules petites degut a la presència de porines, que formen canals. Per tant, l’espai intermembrana és semblant pel que fa a aquestes proteïnes i ions al citosol, i deduïm així que és la membrana mitocondrial interna la que fa de barrera funcional. Biogènesi: Els mitocondris contenen el seu propi genoma, que està separat i és diferent del genoma nuclear. Els mitocondris s’introduïren a les cèl·lules per endosimbiosi. El genoma mitocondrial està constituït per DNA circular, que es troba repetit vàries vegades en cada mitocondri. L’ADN mitocondrial pot ser molt llarg o molt curt depenent de l’espècie (en humans 16 kb), però el nombre de proteïnes que se’n poden codificar no varia gaire. Aquestes proteïnes són essencials en la fosforilació oxidativa. El genoma mitocondrial codifica per tots els ARNs ribosòmics i la majoria d’ARNs de transferència necessaris per la traducció del propi material genètic. Tot i això, hi ha proteïnes mitocondrials codificades per gens nuclears que han sigut transferits al genoma nuclear des del genoma mitocondrial ancestral. El genoma mitocondrial humà codifica per 13 proteïnes implicades en el transport d’electrons i en la fosforilació
intermembrana, són distribuïdes a diferents compartiments de l’orgànul. Les proteïnes amb destí als mitocondris, estan marcades amb seqüències N-terminals de 20-35 aa, nomenades preseqüències. Aquesta seqüència és tallada proteolíticament al entrar la proteïna a l’espai intermembrana. Aquestes seqüències normalment tenen forma d’α-hèlix amb les càrregues positives acumulades a un costat. La internalització comença amb la unió de les preseqüències als receptors de la superfície dels mitocondris. A continuació la cadena polipeptídica (proteïna) és captada per un complex proteic anomenat Tom, que dirigeix la translocació de la proteïna a través de la membrana externa. El complex Tom està format per les proteïnes Tom22, Tom20 i Tom5. La proteïna s’uneix per la preseqüència al Tom20 o al Tom22 i posteriorment és transferida al Tom5 que la introdueix a la proteïna Tom40, que té un canal. A través d’aquest canal es transloquen les cadenes polipeptídiques. Un cop a l’espai intermembrana, la cadena polipeptídica es dirigeix al complex Tim23. El Tim 23 afavoreix el pas a través de la membrana mitocondrial interna a les proteïnes amb preseqüències. Aquesta translocació requereix el potencial electroquímic que s’obté a través del transport d’electrons. Per poder internalitzar-se, aquestes proteïnes han d’estar desplegades, per tant, també es necessiten xaperones. Al costat citoplasmàtic, hi actuen les xaperones de la família Hsp70, mantenint les proteïnes parcialment desplegades perquè puguin entrar. A mesura que entren, les proteïnes s’uneixen a
un altre membre d’aquesta família, associat a la proteïna Tim44 del complex Tim23, que actua com un motor per la hidròlisis d’ATP per conduir la internalització de les proteïnes. Un cop ha travessat la membrana interna, la preseqüència és tallada per una peptidasa processadora de la matriu (MPP), mentre més xaperones de la família Hsp faciliten el plegament de la proteïna. Alguns polipèptids són transferits a una xaperona Hsp60, que produeix plegament addicionals. Com ja s’ha dit, hi ha proteïnes que es queden a la membrana externa, la membrana interna o a l’espai intermembrana. Per tant, hi ha mecanismes addicionals per dirigir la proteïna al compartiment correcte:
- Les proteïnes amb destí a la membrana interna no tenen preseqüències, de manera que no són detectades pel complex Tom sinó que són detectades pel Tom70, que les dirigeix a un Tom40 associat. Un cop a l’espai intermembrana, aquestes proteïnes són reconegudes per components mòbils del Tim (complex diferent al Tim23). Aquests elements mòbils són proteïnes petites, anomenades Tiny Tim, funcionen com xaperones que porten la proteïna fins al Tim22, per on són translocades. Mentre estan passant pel canal del Tim22, senyals internes aturen aquesta translocació provocant la seva sortida lateral i la seva inserció a la membrana interna. Hi ha una altre mètode que actua quan les proteïnes han estat completament translocades a la matriu. Quan es talla la preseqüència queda al descobert una altra seqüència que dirigeix les proteïnes al canal Oxa1, que les introdueix lateralment a la membrana mitocondrial interna.
l’interior dels mitocondris. La degradació de la glucosa mitjançant la glicòlisi i el cicle de Krebs donen un total de 4 ATPs, 10 NADHs i 2 FADH 2. Del NADH i el FADH 2 se n’obtenen electrons que es transfereixen a l’O 2 i, de forma acoblada, s’obtenen entre 32 i 34 molècules d’ATP amb la fosforilació oxidativa. La fosforilació oxidativa i el transport d’electrons es realitzen a la membrana mitocondrial. Mitjançant el procés de la glicòlisi s’obté, per cada molècula de glucosa, dues molècules de piruvat i de cada molècula de piruvat se n’obté una d’acetil-CoA. Amb aquest acetil-CoA, que entra al cicle de Krebs, s’obtenen 3 NADHs i un FADH 2. Amb aquests es generarà gradient de protons a la cadena de transport d’electrons. Generació del gradient de protons pel transport d’electrons: Durant la fosforilació oxidativa els electrons derivats de NADH i FADH 2 es combinen amb l’O 2 obtenint-se energia. Aquesta energia alliberada per les reaccions redox és utilitzada per sintetitzar ATP. Per poder-se utilitzar, aquesta energia es produeix gradualment, mitjançant el pas d’electrons a través de transportadors que formen la cadena de transport d’electrons. Aquests transportadors estan organitzats en 4 complexos de la membrana mitocondrial interna.
Els electrons del NADH entren a través del complex 1 que els dirigeix a un transportador de Fe/S, i dirigeix aquests electrons al CoQ (ubiquinona). El CoQ transporta els electrons a través de la membrana mitocondrial interna fins al complex 3. El complex 3 transfereix els electrons al CitCr-C, que és perifèric de membrana. El CitCr-C els transporta cap al complex 4, el qual transfereix aquests electrons al O 2. El FADH 2 introdueix els seus electrons a través del complex 2, a partir del qual s’envien al complex 3 i segueixen el mateix procés. Les transferències d’electrons en els complexos 1, 3 i 4 porten associades el bombeig de protons des de la matriu a l’espai intermembrana. Aquest bombeig de protons estableix un gradient de protons que s’utilitza per la síntesi d’ATP a mesura que van retornant els protons a la matriu. Fosforilació oxidativa: Es realitza al complex 5, que està format per la ATPsintasa. La ATPsintasa aprofita l’energia generada pel gradient electroquímic que genera l’entrada de protons per obtenir ATP. La ATPsintasa està constituïda per dos components estructurals, l’F 0 i l’F 1. La porció F 0 travessa la membrana mitocondrial interna proporcionant un canal pel pas de protons cap a la matriu. Aquest pas genera energia que s’aprofita a la porció F 1 per obtenir ATP. A la porció F 1 es catalitza la síntesi d’ATP a partir d’ADP i Pi. La porció F 1 consta de tres subunitats
