¡Descarga La Mitocondria: El Motor de la Fosforilación Oxidativa - Prof. Torroba Cabeza de Vaca y más Apuntes en PDF de Biología Celular solo en Docsity!
TEMA 9
Introducción
En el citosol se forma ATP a partir de la oxidación de moléculas de carbohidratos (glucolisis anaerobia). Pero con el tiempo 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 todas las células eucariontes.
Los plástidos, sobre todo cloroplastos, que están sólo en plantas y algas.
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 químicos, que generan ATP (quimio), con procesos de transporte de membrana (osmótico).
Se genera un gradiente electroquímico de protones que se usa en estos orgánulos para otros propósitos.
Mitocondrias
Sin ellas, los animales actuales tendrían que depender de la glucolisis anaerobia para obtener todo su ATP (oxidación parcial de la glucosa). Rinde 15 veces más ATP del que se produce por la glucolisis.
Cada mitocondria está rodeada de dos membranas muy especializadas. Juntas, crean dos compartimentos mitocondriales separados:
•la matriz interna
•el espacio intermembrana
La mayoría de las proteínas que encontramos ahí, son codificadas por el genoma nuclear, e importadas a la mitocondria desde el citoplasma.
La membrana externa contiene muchas moléculas de porina, una proteína transportadora que forma grandes canales acuosos a través de la bicapa.
El espacio intermembrana es químicamente equivalente al citosol con respecto a las moléculas pequeñas que contiene. Pero la mayoría de las moléculas no puede atravesar la membrana interna.
La bicapa de la membrana interna contiene una gran proporción del fosfolípido cardiolipina. Tiene 4 ácidos grasos en vez de dos y podría ayudar a hacer a esta membrana especialmente impermeable a los iones.
Las enzimas de la matriz incluyen:
- Las que metabolizan el piruvato y ácidos grasos para producir acetil CoA.
- Las que oxidan el acetil CoA en el ciclo del ácido cítrico (Krebs).
Los productos finales de esta oxidación son CO2 y NADH. Este es la fuente principal de electrones para la cadena respiratoria.
Las enzimas de la cadena respiratoria están incluidas en la membrana mitocondrial interna.
Son esenciales para el proceso de la fosforilación oxidativa: formación de ATP por la oxidación de nutrientes. Los procesos de transcripción del ADN del orgánulo, síntesis de proteínas y replicación tienen lugar en la matriz mitocondrial.
La membrana interna está generalmente muy plegada formando las crestas.
La maquinaria de síntesis de proteínas de la mitocondria es similar a la de las bacterias.
Biogénesis de las mitocondrias
Las mitocondrias surgen del crecimiento y división de mitocondrias existentes. Cada mitocondria debe doblar su masa en cada división celular y luego ser distribuidas a cada célula hija.
Las células que no se dividen, deben reponer mitocondrias que son degradadas en un proceso de reciclaje continuo.
La fisión y la fusión de estos orgánulos es un proceso 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.
En las células animales, la fosfatidilcolina, fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina son transferidas desde el RE a la membrana externa de la mitocondria.
La mitocondria descarboxila los fosfolípidos importados y y transforma los lípidos importados en cardiolipina.
Las proteínas necesarias para el crecimiento y proliferación de estos orgánulos son codificadas en 2 lugares, lo que complica el proceso:
- El genoma nuclear.
- Los genomas separados de cada una de las mitocondrias.
- Complejos TIM(TIM23 y TIM22): transfieren las proteínas a través de la membrana interna.
•TIM23: transporta algunas proteínas solubles a la matriz y ayuda a insertar proteínas transmembrana en la membrana interna.
•TIM22: media la inserción de proteínas multipaso en la membrana interna.
•Complejo SAM: es otro translocador de la membrana externa especializado en recibir proteínas en barril-β del complejo TOM y plegarlas en la membrana externa.
- Complejo OXA: otro translocador de la membrana interna, que media la inserción de proteínas que son sintetizadas dentro de la mitocondria.
Las proteínas precursoras permanecen desplegadas en el citosol gracias a proteínas chaperonas. La secuencia señal de la proteína precursora se une a los receptores del complejo TOM; entonces las chaperonas se despegan.
El polipéptido desplegado es metido en el canal de translocación.
Una proteína puede llegar a la matriz cruzando, las dos membranas a la vez, o una a una. Si pasa por las dos membranas a la vez, el complejo TOM transporta primero la secuencia señal al espacio intermembranana. Ahí se une a un complejo TIM, abriendo el canal de este complejo.
La cadena polipeptídica entra 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 fuentesen distintos pasos del proceso de importe:
- Hidrólisis de ATP: para la unión y liberación de polipéptidos de las chaperonas Hsp70, que mantienen a la proteína desplegada.
•Gradiente electroquímico de H+ a través de la membrana mitocondrial interna: se necesita para la translocación a través del canal TIM; se produce por elbombeo de H+, desde la matriz al espacio intermembrana, conducido por el proceso de transporte de electrones.
La Hsp60 mitocondrial ayuda a plegarse a la proteína importada uniéndose y separándose de ella por ciclos de hidrólisis de ATP.
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 espacio intermembrana. En él, se unen transitoriamente a chaperonas que evitan que las porinas se agreguen.
Luego se unen al complejo SAM de la membrana 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 intermembrana.
Para la inserción en la membrana interna, la proteína lleva la secuencia señal N-terminal y una secuencia hidrofóbica, que funciona como una secuencia de paro de la transferencia.
Sólo entra en la matriz la secuencia señal N-terminal.
La señal hidrofóbica evita que siga la translocación a través de la membrana interna.
El complejo TOM tira del resto de la proteína a través de la membrana externa.
La secuencia hidrofóbica, liberada de TIM23, permanece anclada a la membrana interna
En otra ruta de transporte a estos destinos, el complejo TIM23 transloca la proteína completa a la matriz.
Una peptidasa señal de la matriz quita la secuencia N-terminal, exponiendo una secuencia hidrofóbica en el nuevo extremo N-.
Esta secuencia conduce a la proteína al complejo OXA, que inserta la proteína en la membrana interna.
Algunas proteínas son liberadas de la membrana interna en el espacio intermembrana, por una proteasa que elimina el anclaje a la membrana.
Los metabolitos atraviesan la membrana externa por las porinas. En la membrana interna, hay transportadores de metabolitos específicos. Cruzan el complejo TOM y, chaperonas del espacio intermembrana, las guían al complejo TIM22.
- Los H+ fluyen de vuelta, a favor de gradiente electroquímico a través de la ATP sintasa, que proporciona la energía para la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).
El término fosforilación oxidativa se usa para describir estas reacciones.
La transferencia de electrones a través de la cadena transportadora de electrones, conducirá al final a la reducción del O2 a agua.
La reacción energéticamente favorable:
H2+ ½O2→H2O
Transporte de electrones
Es la parte final del metabolismo aeróbico (el inicio es el ciclo del ácido cítrico) en que se consume directamente O2.
El primer transportador de electrones es NAD+(coge 2 electrones) y se convierte en NADH. Se llama cadena transportadora de electrones a todas las proteínas de membrana y otras moléculas pequeñas, que median la secuencia ordenada de la transferencia de electrones.
El proceso de transporte de electrones empieza cuando el ión híbrido (H-) es quitado de NADH (y FADH2) y es convertido en un protón y dos electrones. Los dos electrones son cedidos al primero de los transportadores de electrones de la cadena respiratoria.
Los protones son devueltos al final de la cadena para formar agua.
Los electrones empiezan con energía muy alta y gradualmente la pierden según pasan por la cadena.
Cadena transportadora
Los componentes de la cadena transportadora son:
•Los citocromos: 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.
•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.
•La quinona es el único transportador que no es parte de una proteína.
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 mitocondrial interna. Los electrones pasan secuencialmente, de un complejo a otro, hasta que finalmente son transferidos al oxígeno.
Complejos enzimáticos
Están orientados asimétricamente en la membrana interna. Son:
- El complejo NADH deshidrogenasa(complejo I): acepta electrones del NADH y los pasa, a través de una flavina y al menos 7 centros hierro-azufre, a la ubiquinona, que los transfiere al complejo siguiente.
- El complejo citocromo b-c1 que funciona como un dímero. Pasa los electrones al citocromo c, que los pasa al último complejo.
- El complejo citocromo oxidasatambién funciona como un dímero.
Cuando un electrón se transfiere entre los complejos se libera energía libre. Parte de ella se utiliza para bombear H+ a través de la membrana interna. Ambos gradientes constituyen el gradiente electroquímico de protones.
Parece que el transporte de electrones produce cambios conformacionales
(3 conformaciones) en los complejos proteicos, lo que hace que se bombee H+.
El movimiento de H+ tiene dos consecuencias fundamentales:
- Genera un gradiente de pH a través de la membrana interna, con el pH más alto en la matriz que en el citosol.
- Genera un gradiente de voltaje a través de la membrana interna, con el interior negativo y el exterior positivo.
Ambos gradientes constituyen el gradiente electroquímico de protones.
Formación de Agua:
Al final de la cadena, los electrones son cedidos a O2, que actúa como receptor de electrones al final de la ruta.
La reacción es H2+ ½O2→H2O.
Papel de la mitocondria en el metabolismo celular
La mitocondria tiene muchas funciones críticas en mantener el metabolismo celular. En las células y organismos que no están creciendo, las moléculas que se deterioran deben ser reemplazadas por biosíntesis.
- ATP
- Un aporte constante de poder reductor en forma de NADPH que es producido en el citosol por la rotura de azúcares.
- Esqueletos de carbono que provienen de la rotura de azúcares.
Cuando el alimento es abundante y hay disponible mucho ATP, la mitocondria genera:
- Esqueletos de carbono: el exceso de citrato que se produce en la matriz mitocondrial (en ciclo del ácido cítrico), es transportado a favor de gradiente electroquímico al citosol.
Ahí es metabolizado para producir los esqueletos de carbono; se producen grandes cantidades de acetil CoA en el citosol, acelerando la producción de ácidos grasos y esteroles para construir nuevas membranas.
- NADPH: se produce en la mitocondria para la biosíntesis en el citosol de NAD+, que se usa en la glucolisis anaerobia.
Ambos se necesitan para el crecimiento celular.
Las mitocondrias también son críticas para tamponar el potencial redox en el citosol.
En la mitocondria se produce oxidación de ácidos grasos. Son convertidos, mediante enzimas de la matriz en acetil CoA. Este entra en el ciclo del ácido cítrico.
Al mismo tiempo se reduce FAD a FADH2y NAD+ a NADH, que ceden los electrones a la cadena transportadora para dar ATP.
Origen evolutivo de las mitocondrias
Se acepta que la mitocondria proviene de un fenómeno endosimbiótico entre una eucariota primitiva anaerobia y una bacteria aerobia.
