Mitocondrias, Apuntes de Biología Celular

¡Descarga Mitocondrias y más Apuntes en PDF de Biología Celular solo en Docsity! 1 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 1 Introducción 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 todos 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 que re- fleja, una unión entre reacciones de formación de enlaces químicos, que generan ATP (quimio), con procesos de transporte de membra- na (osmótico). 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. 2 F ig 14-2 de A lb erts, 08 2 Mitocondrias Han sido esenciales para la evolución de los animales superiores. Sin ellas, los animales actuales tendrían que depender de la glucolisis anaerobia para obtener todo su ATP (oxidación parcial de la glucosa). En las mitocondrias, el metabolismo de la glucosa es completo. Rinde 15 veces más ATP del que se produce por la glucolisis. Las mitocondrias son cilindros rígidos, alargados, con un diámetro de 0,5-1μm, que se parecen a bacterias. Son orgánulos muy móviles y plásticos y cambian de forma constantemente. Se pueden fundir entre sí y separarse de nuevo. Cada mitocondria está ro- deada de dos membra- nas muy especializadas, con funciones 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 proteínas. 3 F ig 14-4 de A lb erts, 08 F ig 14-6 de A lberts, 08 Mitocondrias (cont.) La mayoría de las aproximadamente 1.000 proteínas que contie- nen, 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. Es permeable a todas las moléculas de 5.000 daltons o menos, in- cluidas proteínas pequeñas. El espacio intermembrana es químicamente equivalente al cito- sol con respecto a las moléculas pequeñas que contiene. Pero la mayoría de las moléculas no puede atravesar la membra- na interna. La membrana interna, junto con la matriz, es la parte que hace fundamentalmente el trabajo de la mitocondria. Está muy especializada. Su bicapa contiene una gran proporción del fosfolípido cardiolipina. Tiene 4 ácidos grasos en vez de dos y podría ayudar a hacer a esta membrana es- pecialmente impermeable a los iones. Esta membrana contiene también varias proteínas transportadoras que la hacen se- lectivamente permeable a aquellas moléculas que se necesitan en la matriz. 4 fig 14-65 de Alberts, 08 5 Marchantia: briofita Tetrahymenia: protozoo Acanthamoeba: protozoo Arabidopsis: planta Plasmodium: protozoo Rickettsia: bacteria Las moléculas de ADN individuales parecen ser seleccionadas al azar para replicar- se. En un ciclo celular dado, algunas se pueden replicar más de una vez y otras, ningu- na. El proceso es regulado para asegurar, que el número total de moléculas de ADN del orgánulo, doble en cada ciclo celular. Las múltiples copias del ADN mitocondrial contenidas en la matriz, se suelen distri- buir en varios grupos que se llaman nucleoides, anclados a la membrana interna. El ADN carece de histonas, como el de bacterias. Las moléculas de ADN mitocondriales varían mucho de tamaño, según el tipo celu- Genoma de la mitocondria (cont.) F ig 14-57 de A lberts, 08 lar. En mamíferos el genoma mitocondrial es un simple cír- culo de ADN, semejante a otros animales. En otros genomas mitocondriales podrían existir es- tructuras varias del ADN. El genoma mitocondrial humano fue secuenciado y pu- blicado en 1981; es relativamente pequeño. Sus genes están muy empaquetados y queda muy poco espacio para secuencias de ADN reguladoras. 9 Necesidad de los sistemas genéticos en la mitocondria Mantener sistemas genéticos sepa- rados, es caro para la célula. Más de 90 proteínas deben codificar- se en el núcleo, específicamente pa- ra la mitocondria. El núcleo debe tener al menos 90 genes, sólo para mantener el siste- ma 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 de- ben fabricarse en ellos y no en el ci- tosol. Podría pensarse que los sistemas genéticos de estos orgánulos po- drían ser simplemente un final evo- lutivo. Fig 14-59 de Alberts, 08 10 6 Translocación de proteínas a la mitocondria Las proteínas que entran en la mitocondria son importadas, ya completada su sínte- sis, desde el citosol (importe post-traduccional). Se sintetizan e importan proteínas precursoras ya que tienen una secuencia señal. Una o más secuencias señal dirigen a todas las proteínas precursoras al subcom- partimento de la mitocondria adecuado. Las proteínas que van a la matriz contienen una secuencia señal en su extremo N-, que una peptidasa señal corta rápidamente después del importe. Otras proteínas (de la membrana externa y del espacio intermembrana) tienen una secuencia señal interna que no es eliminada. Las secuencias señal que dirigen a la proteína precursora a la matriz forman una α- hélice anfifílica. Los residuos cargados positivamente se agrupan en un lado de la hélice y los hidrofóbicos no car- gados se agrupan en el lado opuesto. Proteínas receptoras de la membrana externa de la mitocondria reconocen esta configuración e inician la translocación. Complejos proteicos de multisubunidades funcio- nan como translocadores y median la transloca- 11 Fig 12-22A y B de Alberts, 08 α-hélice anfifílica Azul y rojo = aminoácidos polares Amarillo: aminoácidos no polares ción de la proteína través de las membranas mitocondria- les. Tienen muchas subunida- des y algunas de ellas ac- túan como receptores. Los translocadores son: • Complejo TOM: transfiere todas las proteínas mito- condriales, codificadas en el núcleo, a través de la membrana externa y ayuda a insertar proteínas en esta membrana. • Complejos TIM (TIM23 y TIM22): transfieren las proteínas a través de la membrana interna. • TIM23: tiene una extensión hidrofóbica insertada en la membrana externa; transporta algunas proteínas solubles a la matriz y ayuda a insertar proteínas transmembrana en la membrana interna. • TIM22: media la inserción de una subclase de proteínas multipaso (transporta- dores) en la membrana interna • Complejo SAM: es otro translocador de la membrana externa especializado en re- cibir proteínas en barril-β del complejo TOM y plegarlas en la membrana externa • Complejo OXA: otro translocador de la membrana mitocondrial interna, que media 12 Fig 12-22C de Alberts, 08 F ig 12-23 de A lberts, 08 Translocación de proteínas a la mitocondria (cont.) 7 Translocación de proteínas a la mitocondria (cont.) la inserción en esa membrana, de proteínas que son sintetizadas dentro de la mito- condria; también ayuda a insertar algunas proteínas de la membrana interna impor- tadas, que son transportadas inicialmente a la matriz por los otros complejos. Las proteínas precursoras permanecen desplegadas en el citosol mediante interac- ciones con otras proteínas (Hsp70 y otras). La secuencia señal de la proteína precursora se une a los receptores del comple- jo TOM; entonces las proteínas interactuantes se despegan. El polipéptido desplegado es metido en el canal de translocación. Una proteína puede llegar a la matriz cru- zando, 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 se- cuencia señal al espacio intermembrana- 13 Fig 12-25 de Alberts, 08 na. Ahí se une a un complejo TIM, abriendo el canal de este complejo. La cadena polipeptídica entra entonces, bien a la matriz, o se inserta en la membra- na 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 mitocon- dria, para la unión y liberación de poli- péptidos a/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 el bombeo de H+, desde la matriz al espacio intermembrana, conducido por el proceso de trans- porte de electrones • hidrólisis de ATP: se necesita para que, un complejo que contiene Hsp70 mitocon- driales que está en la matriz mitocondrial unido a TIM23, pueda tirar de la proteína entrante hacia la matriz, tan pronto emerge del translocador TIM. Luego, la Hsp70 libera la proteína también de forma dependiente de ATP. La Hsp60 mitocondrial ayuda a plegarse a la proteína importada uniéndose y sepa- rándose de ella por ciclos de hidrólisis de ATP. 14 Fig 12-26 de Alberts, 08 10 Quimiósmosis Es la ruta común usada por las mitocondrias, cloroplastos y procariotas para aprove- char la energía. Acopla reacciones de formación de enlaces químicos, que generan ATP con pro- cesos de transporte a través de la membrana. Estos procesos ocurren en la membrana interna en dos etapas: 1. Electrones de alta energía son transferidos a lo largo de transportadores de electrones, embebi- dos en la membrana. Esto libera energía que es usada para bombear H+ a través de la membra- na y así se genera un gradiente electroquímico de protones. Es una forma de energía almacenada. 2.Los H+ fluyen de vuelta, a favor de gradiente electroquímico a tra- vés 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 reaccio- nes. El gradiente electroquímico de protones conduce también a otras ma- quinas embebidas en la membrana. 19 Fig 14-1 de Alberts, 08 F ig 14-2 de A lberts, 08 Quimiósmosis (cont.) 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, ocurre en muchos pasos pequeños, de forma que la mayor parte de la energía liberada puede ser almace- nada. Es la parte final del metabolismo aeróbico (el inicio es el ciclo del ácido cítrico) en que se consume directamente O2. Casi toda la energía disponible de quemar grasas, carbohidratos y otros nutrientes en las primeras etapas de la oxidación (ciclo del ácido cítrico), es salvada inicial- mente en forma de electrones de alta energía. 20 Fig 14-3A de Alberts, 08 Transporte de electrones 11 El primer transportador de electrones es NAD+ (coge 2 electrones) y se convierte en NADH. NADH molécula pequeña soluble en agua que trans- porta los electrones a la membrana mitocondrial inter- na. Se llama cadena transportadora de electrones a todas las proteínas de membra- na y otras moléculas pequeñas, que median la secuencia ordenada de la transfe- rencia de electrones. Los electrones son llevados desde un sitio de la cadena a otro, por moléculas difusi- bles que pueden coger electrones de una posición y entregarlos en otra. El proceso de transporte de electrones empieza cuando el ión híbrido (H-) es quita- do 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 pa- san por la cadena. 21 Fig 14-11 de Alberts, 08 Transporte de electrones (cont.) Cadena transportadora: Los componentes de la cadena transportadora son: • los citocromos: las células contienen citocromos de varios tipos; son proteínas coloreadas, que tienen un grupo hemo unido, que consiste en un anillo de porfiri- na 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 En total hay 6 grupos hemo diferentes, más de 7 centros hierro-azufre, la ubiquinona 22 Transporte de electrones (cont.) Fig 14-22 de Alberts, 08 Fig 14-23 de Alberts, 08 Fig 14-24 de Alberts, 08 y dos átomos de cobre y una flavina que sirven como transportadores de electrones, unidos a proteínas de la cadena. 12 Cadena transportadora (cont.): 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. Cada complejo tiene una afinidad mayor por los electrones que su predecesor. Los electrones pasan secuencialmente, de un complejo a otro, hasta que finalmente son transferidos al oxígeno. 23 Fig 14-14 de Alberts, 08 Transporte de electrones (cont.) Complejos enzimáticos: Están orientados asimétricamente en la mem- brana interna y ligados en serie. Son: • el complejo NADH deshidrogenasa (com- plejo 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; cada monómero contiene 3Fig 14-23 de Alberts, 08 Transporte de electrones (cont.) Complejos enzimáticos (cont.): hemo unidos a citocromos y una proteína hierro-azufre. El complejo pasa los electrones citocromo c, que los pasa al último complejo. • 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. Fig 14-21 de Alberts, 08 En la mayor parte de la cadena, los electrones pasan de un ión metálico a otro. Fig 14-29 de Alberts, 08 La ordenada transferencia de electrones a lo largo de la ca- dena se debe a que cada transportador de electrones sólo interacciona con el adya- cente en la secuencia. La energía libre de los electro- nes cae a lo largo de la cade- na respiratoria, en 3 grandes etapas, a través de cada uno de los complejos respiratorios. 24 15 El ADP y el ATP son cotransportados en direc- ciones diferentes por una única proteína trans- portadora (antiporte). El ATP tiene una carga negativa más que el ADP, por lo que se saca una carga negativa de la mitocondria. La diferencia de voltaje a través de la membra- na conduce este cotransporte ADP-ATP. La glicolisis rinde una cantidad neta de 2 molé- culas de ATP por molécula de glucosa. Pero la oxidación completa de una molécula de glucosa, empezando en la glicolisis y terminando con la fosforilación oxidativa, da un rendimiento neto de aproximada- mente 30 ATPs. La ATP sintasa además de organizar el flujo de H+ a favor de gradiente para sintetizar ATP, pue- de funcionar en reverso: usar la energía de la hi- drólisis de ATP para bombear H+ a través de la membrana mitocondrial interna. 29 F ig 14-16 d e A lberts, 08 Fig 14-19 de Alberts, 08 Síntesis de ATP (cont.) Papel de la mitocondria en el metabolismo celular La mitocondria tiene muchas funciones críticas en mantener el metabolismo celular y lo hace, llevando a cabo reacciones dife- rentes bajo condiciones diferen- tes. Las macromoléculas que forman las células son reparadas o reem- 30 Fig 14-27 de Alberts, 08 plazadas constantemente cuando la célula envejece. En las células y organismos que no están creciendo, las moléculas que se dete- rioran deben ser reemplazadas por biosíntesis. La biosíntesis en el citosol requiere: • ATP • un aporte constante de poder reductor en forma de NADPH que es producido en el citosol por una ruta lateral de la rotura de azúcares y • esqueletos de carbono que provienen de la rotura de azúcares Cuando el alimento es abundante y hay disponible mucho ATP, la mitocondria ge- nera también los esqueletos de carbono y el NADPH, que se necesitan para el cre- cimiento celular. 16 En este caso, el exceso de citrato que se produce en la matriz mitocondrial (ciclo del ácido cítrico), es transportado a favor de su gradiente electroquímico al citosol. Ahí es metabolizado para producir los esqueletos de carbono y el NADPH para la biosíntesis. A partir del citrato exportado de la mitocondria se producen grandes cantidades de acetil CoA en el citosol, acelerando la producción de ácidos grasos y este- roles para construir nuevas membranas. El citosol necesita un aporte de NAD+ para la reacción central de la glicolisis. Este NAD+ es convertido en NADH en el proceso, y el NAD+ debe ser regenera- do transfiriendo sus electrones de alta energía. Los electrones se usarán eventualmente para ayudar a la fosforilación oxidativa dentro de la mitocondria. Los electrones deben ser cedidos a moléculas pequeñas del citosol, para que metan los electrones en la mitocondria, ya que la membrana mitocondrial interna es impermeable a NADH. En condiciones de inanición, las proteínas del cuerpo son fraccionadas en ami- noácidos y estos son importados a la mitocondria. Papel de la mitocondria en el metabolismo celular (cont.) 31 En la mitocondria serán oxidados para producir NADH y sintetizar ATP en la cadena transportadora de electrones. 32 Papel de la mitocondria en el metabolismo celular (cont.) Origen evolutivo de las mitocondrias Fig 14-58 de Alberts, 08 Se acepta que la mitocondria proviene de un fenómeno endosimbiótico entre una eucariota primitiva anaerobia y una bacteria aerobia. En la Tierra actual hay eucariotas uni- celulares anaerobios que carecen de mitocondrias. Pueden derivar de eucariotas primiti- vos que no adquirieron la bacteria que dio lugar a la mitocondria. Pueden también haberla perdido en la evolución.