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1
BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR
FACULTAD DE MEDICINA HUMANADEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS
BÁSICAS MÉDICAS
Septiembre 2011
Organelas Bioenergéticas:Mitocondrias y
cloroplastosBlga. Milagros Quintana Cáceda, MSc.
2
• Organelas bioenergéticas:Mitocondria y cloroplasto.Morfología y funciones.
Semana 6
3
Organelas bioenergéticas
Mitocondrias CloroplastosAnimales
Vegetales
Matriz
Proteínastransmembrana
Porina
Crestasmitocondriales
ATP-sintetasaTransportadoresde electrones
ATP
ADN mitocondrial
Mitorribosomas
Enzimas
Procesosmetabólicos
Biosíntesisproteínas
Ciclo deATC
oxidaciónac. grasos
Proteínastranslocadoras
EstromaTilacoides
ADNplastidial
Plastorribosomas
EnzimasPigmentos
fotosintéticos
Energíaluminosa
Fotosíntesis
MembranaMitocondrial externa
MembranaMitocondria interna
MembranaPlastidial interna
MembranaPlastidial externa
Grana
Como laabsorbenla
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Clorofila Carotenoidesliberan
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Quimiósmosis
mediante
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Cadenarespiratoria
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4
MitocondriasBlefaroplasto, condrioplastos, condriosomas, gránulos fucsinofílicos, mitogel, cuerpos parabasales, vermículas, sarcosomas, cuerpos intersticiales, plasmosomas, plastocondrios, bioblastos, etc.Encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular.En organismos eucariota (hongos, animales y plantas).Estructuras móviles y muy plásticas que se deforman, se dividen y fusionan. Normalmente se las representa como Cilindros alargados.Ocupan el 25% del volumen celularDesplazamiento asociado a los microtúbulosPueden formar largos filamentos o cadenas móviles.Posee un sistema genético propio.
5
Tamaño:• Longitud: 0.5 – 10 μm• Diámetro: 0.5 – 1 μmN◦/célula: 1 – 1000Condrioma celular: conjunto de mitocondrias en la célula. Ejm. Hepatocito de 1000 – 2000 mitocondrias (1/5 del volumen celular).Estructura:• Membrana interna (Crestas)• Membrana externa• Espacio Intermembranoso• Matriz
Mitocondria: Estructura y Composición
Composición Molecular: Proteínas y fosfolípidos de las membranas son muy diferentes.
BCM: Clase 7 6
ATP Sintasa(F0F1)Cresta
Membrana Externa (bicapa lipidica)• 50% de proteínas, 50% lípidos• Permeable a iones, moléculas 5Kd (metabolitos,
polipéptidos)• Contiene enzimas implicados en síntesis de lípidos.
• Contiene:80% proteínas, 20% lípidos de los cuales 10%
es cardiolipinaTransportadores de la cadena de electrones
(Complejo I-IV)Otros Transportadores de membrana.Traslocasa ADP-ATPATP Sintasa (F0F1)
MatrizContiene:•Complejo Piruvato DH•Enzimas del Ciclo Ácidos Tricarboxilicos •Enzimas β- oxidación•Enzimas de oxidación de Aminoácidos•Ribosoma, ADN•Muchas otras enzimas•ATP, ADP, Mg+2, Ca+2, K+
•Muchos intermediarios metabólicos solubles
Ribosomas
Canales PorinaEspacio IntermembranosoContiene Citocromo cEnzimas dependientes de ATP para fosforilar otros nucleótidos.
Difosfatidilglicerol (DPG)
Cardiolipina
Membrana Interna (altamente selectiva)• Impermeable a moléculas 5 Kd y iones, incluido H+
VDAC
7
Mitocondria: Funciones
Integración del metabolismo de los azúcares
Oxidación del piruvatoCiclo de los ácidos tricarboxilicos (ATC)Metabolismo de los aminoácidosMetabolismo de los ácidos grasos y esteroidesRespiración celularProducción de la EnergíaTermogénesis
8
Vías Metabólicas en la Mitocondria
ANT= Translocador adenina nucleótidoCACT= Translocasa carnitina acilcarnitinaCPT= Carnitina palmitoil transferasaDIC= Transportador de DicarboxilatosETF= Flavoproteína transportadora de electronesETF-DH= deshidrogenasa transportadora de electronesPDHC= Complejo Piruvato deshidrogenasaTCA= Ácidos Tricarboxílicos (Ciclo Krebs)
9
10
NADH y NADH deshidrogenasa
10 unidades de isoprenos en mamíferos y 6 unidades en bacterias.
Acepta electrones del NADH y del Succinato
Complejos Multiproteícos del Transporte de electrones en la Cadena Respiratoria
Succinato Deshidrogenasa (Complejo II)
Coenzima Q Oxido-reductasa y
Citocromo c reductasa
(Complejo III)
Citrocomo Oxidasa
(Complejo IV)
COENZIMA Q:
Fo-F1 ATP sintasa (Complejo V)
11
Complejos Multiproteícos en el ensamblaje respiratorio
12
Determinación del Transporte de Electrones
de la Cadena Respiratoria
13
Translocación de protones a través del
gradiente de la membrana interna
mitocondrial
NAD+
NAD+
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QuimiosmosisEs el termino dado al proceso donde los protones atraviesan una membrana a través de una gradiente electroquímico de protones.El protón usa un complejo proteico integral de membrana llamado Complejo FoF1.Este complejo contiene una enzima que liga ADP a Pi y sintetiza ATP.La energía necesaria para esta reacción es obtenida de la difusión de protones a través de la gradiente de concentración, desde que este es un proceso exergónico
Membrana externa
Membrana interna
ATP
H+MatrizQuimiosmosis
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ATP
Los enlaces fosfoanhidridos del ATP representan el Potencial Químico de Energía.
Los dos enlaces fosfoanhidridos terminales, son conocidos como enlaces de alta energía, por que cuando se hidrolizan ellos liberan una gran cantidad de energía.
La energía liberada se utiliza para: transporte activo, contracción muscular, movimiento celular, movimiento intracelular de organelas y cromosomas.
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Síntesis de ATPHay muchas vías metabólicas por la cuál células de organismos heterotróficos pueden sintetizar ATP.
MECANISMO:Fosforilación a nivel
de sustrato (Glucólisis y Creatina fosfato)
Quimiosmosis
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TermogénesisCapacidad de generar calor en el organismo debido a reacciones metabólicas.
La disipación de calor equilibra esta generación de energía interna dando lugar a una homeostasis térmica (equilibrio térmico) en las células (37ºC en el hombre)La termogénesis puede ser inducida por dieta (alimentos con capacidad termogénica) Si la energía contenida (como grasa, proteína y glucógeno) no se ve alterada (Almacenamiento de Calor=0) la energía entrante es igual a la que sale, y por lo tanto se produce un equilibrio energético. Si la pérdida de calor es alta (aumento de la termogénesis) hay disminución en el almacenamiento; si es baja, el almacenamiento se activa ( capacidad de almacenar grasa,glucogeno, etc.)
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Rotación del flagelo bacteriano
Gradiente de protones a través de la membrana plasmática es utilizada para:
•Impulsar la síntesis de ATP.•Transporte de metabolitos.•Rotación del flagelo para desplazarse.
Flagelo Espacio Extracelular
Citoplasma
Membrana bacteriana externa
Membrana bacteriana interna(Membrana plasmática)
Bomba de protonesEstativo Proteico
Rotor Proteico
Motor flagelar girando a más de 100 revoluciones por segundo
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ADN MitocondrialADN es circular, bicatenario, cerrado, sin extremos. En los seres humanos tiene un tamaño de 16569 pares de
bases, conteniendo un pequeño número de genes (que codifican para13 proteínas mitocondriales y algunos ARN) distribuidos entre la cadena H y la cadena L.Cadena H: Composición en bases (total bases: 16569): 4096 A ; 2171 C ; 5180 G ; 5122 T. Peso molecular: 5168.726 daltonsCadena L: Composición en bases (total bases: 16569): 5122 A ; 5180 C ; 2171 G ; 4096 T. Peso molecular: 5060.609 daltons.
Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de la molécula de ADN.
BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 20
Mapa genético del DNA mitocondrial humano. se representa las dos hebras del DNA con los genes que codifican: rRNA (12s y 16s), tRNA, señalados con la abreviatura del aminoácido que transportan, y secuencias codificadoras de proteínas (CO: subunidades citocromo c oxidasa; cyt b: citocromo b y ND: subunidades de NADH deshidrogenasa). H1, H2 y L indican los lugares de iniciación de la transcripción de las hebras pesada y ligera, respectivamente. OH y OL simbolizan los orígenes de replicación de la cadena pesada y ligera
Características Específicas de la Genética Mitocondrial
Localizado en un organelo citoplasmáticoHerencia maternaSegregación mitóticaAlta velocidad de mutaciónNo presenta intronesPoliplasmia (alto número de copias
16,569 pb
21
En el ADN mitocondrial humano están codificados 37 genes (frente a los 20,000 – 25,000 genes ADN cromosómico nuclear):2 ARNr ribosómicos, 22 ARNt de
transferencia y 13 ARNm para proteínas
que participan en la fosforilación oxidativa
genes que codifican el complejo I de NADH deshidrogenasagenes que codifican el complejo IV de citocromo oxidasagenes que codifican el complejo V (ATP-sintasa)genes que codifican el complejo III (ubiquinona-citocromo b oxido-
reductasa)
22
La función de los complejos de la fosforilación oxidativa pueden sufrir alteraciones por defectos en el ADNn o/y en el ADNmt; lo cual afecta la producción de ATP que traerá como consecuencia el daño a diferentes órganos.Adapted from Johns, DR: Mitochondrial DNA and Disease. The New England Journal of Medicine; 333: 638-644, 1995.
Órganos afectados por las patologías mitocondriales
23
ORGANO AFECTACIÓN
CerebroRetraso en el desarrollo, retardo mental, demencia, convulsiones, desórdenes neuro-psiquiátricos, parálisis cerebral atípica, migrañas, infartos.
Nervios
Debilidad, dolor nueropático, ausencia de reflejos, problemas gastrointestinales (reflujo gastroesofágeo, vaciado gástrico retrasado, constipación, pseudo obstrucción), desmayos, ausencia o exceso de sudor relacionados con problemas de regulación de la temperatura.
Músculos Debilidad, hipotonía, calambres, dolor muscular.
RiñonesDesgasta proximal renal tubular que provoca pérdida de proteínas, magnesio, fósforo, calcio y otros electrolitos.
Corazón Defectos en los conductos cardiacos (bloqueos del corazón), cardiomiopatía.
Hígado Hipoglicemia (niveles de azúcar bajos en la sangre), falla del hígado.
Ojos Pérdida de visión y ceguera.
Oídos Pérdida auditiva y sordera.
PáncreasDiabetes y falla pancreatítica exocrina (incapacidad para generar encimas digestivas).
SistémicoIncapacidad para subir de peso, corta estatura, fatiga, problemas respiratorios incluyendo sofocamientos intermitentes.
Órganos afectados por las patologías mitocondriales
BCM: Clase 7 24
Factores:Naturaleza de la mutaciónGrado de heteroplasmiaRequerimientos energéticos del
tejidoCapacidad del tejido para
reparar el daño.
Enfermedades Mitocondriales
Pueden ser causadas por mutaciones puntuales:
sustitución, inserción o delección
En la base de secuencias codificadoras.
Las mutaciones que ocasionan enfermedades se indican con el número de la pareja de bases (p.e. MELAS 3243)
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Grupo Nombre de Enfermedad
Mutación en ADNmt
Gen Afectado
Característica de la enfermedad
Mutaciones Puntuales en
ADNmt
Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON)
G3460 AG11778 AT14484 C
ND1ND4ND6
Perdida visión central.Neuropatía periféricaAtaxia cerebral
Síndrome de Neuropatía, ataxia y retinoplastía pigmentaria (NARP)
T8993 G ATPasa 6 Debilidad muscular neurogénicaAtaxiaRetinitis pigmentosaDemencia
Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)
T8993 GT8993 C
ATPasa 6ATPasa 6
Retraso desarrolloDegeneración multisistémicaAtaxiaConvulsionesNeuropatía periférica.
Síndrome de Epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas (MERRF)
A8344 GT8356 C
tRNALis
tRNALis
Epilepsia mioclónica.ConvulsionesMiopatíaDemenciaSorderaNeuropatía
Síndrome de encefalomiopatía mitocondrial con ácidosis láctica y episodios de accidentes cerebro-vasculares (MELAS)
A3243 GC3256 TT3271 CT3291 CT9957 C
tRNALeu
tRNALeu
tRNALeu
tRNALeu
CO III
Convulsiones generalizadas.Dolor de cabeza.SorderaDemencia
Diabetes de herencia Materna con sordera.
A3243 G tRNALeu Sordera
Reorganizaciones en el ADNmt
Síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson
Delección única Anemia macrocíticaMuerte
Deplesiones ADNmt Relacionada con el número de copias del ADNmt por mutaciones en genes del ADNn.
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Organelas bioenergéticas
Mitocondrias CloroplastosAnimales
Vegetales
Matriz
Proteínastransmembrana
Porina
Crestasmitocondriales
ATP-sintetasaTransportadoresde electrones
ATP
ADN mitocondrial
Mitorribosomas
Enzimas
Procesosmetabólicos
Biosíntesisproteínas
Ciclo deATC
oxidaciónac. grasos
Proteínastranslocadoras
EstromaTilacoides
ADNplastidial
Plastorribosomas
EnzimasPigmentos
fotosintéticos
Energíaluminosa
Fotosíntesis
MembranaMitocondrial externa
MembranaMitocondria interna
MembranaPlastidial interna
MembranaPlastidial externa
Grana
Como laabsorbenla
posee
Clorofila Carotenoidesliberan
son
presentes en
presentes enformadas por
contiene
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iza n
com
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izan
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posee presenta
contienen
lospequeñosforman la
pose
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comobase pararealizar la
cont
iene
formados por
real
izan
l a
dondese
sintetiza
inte
rvie
nen
en la
Quimiósmosis
mediante
contiene
Cadenarespiratoria
seencuentran
en la
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Estructuras membranosas de composición química lipoproteica, que en su interior pueden contener pigmentos, enzimas y/o iones.
Se encuentran en el citoplasma de las células tanto de algas como de plantas.
Sirven como almacén de proteínas, lípidos o almidón (leucoplastos) , o bien de pigmentos (cromoplastos).
PLASTOS
Los plastos se clasifican en: Leucoplastos, formados por una membrana; Cromoplastos, que almacenan pigmentos rojo, amarillo y anaranjado; Cloroplastos, que en su interior encontramos la grana, intergrana y
los tilacoides, dentro de los cuales esta contenida la molécula de clorofila
28
CloroplastoRealizan fotosíntesis en horas de
luz.Son descendientes de bacterias
fotosintéticas productoras O2
Miembro más destacado de la familia de los plastidos .
Todos los plastidos de una misma especie contienen múltiples copias del mismo genoma.
Rodeado por envoltura de membranas.
Realizan sus interconversiones energéticas mediante mecanismos quimiosmóticos.
BCM: Clase 7 29
Cloroplasto
Grana
HojaEpidermis superior (haz)
Epidermis inferior (envés)
Membrana externa Membrana interna
Espacio Intermembrana
Membrana tilacoidal Espacio
tilacoidal
Grana
Estroma
Cadena de transporte de e-
Sistema de captación de luzATP sintasa
Altamente permeable (Porinas)
Menos permeableContiene proteínas de transporte. Delimita al estroma
Contiene:Enzimas metabólicas; RNA, ADN, ribosomas; Lípidos, gránulos de almidón y otras sustancias
Cloroplasto: Estructura
30
Cloroplasto: FuncionesRealizar la fotosíntesis que comprende:Reacciones fotosintéticas de transferencia de
electrones ó Fase luminosa: Se realiza en la membrana de los tilacoides, donde se halla la cadena de transporte de e- y la ATP-sintasa responsables de la conversión de la energía lumínica en energía química (ATP) y de la generación del poder reductor (NADPH).
Reacciones de fijación de Carbono ó Fase oscura: Se produce en el estroma, donde se halla el enzima Ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa oxidasa (RuBisCO), responsable de la fijación del CO2 mediante el Ciclo de Calvin.
Cloroplasto
Reacciones fotosintéticas de
transferencia de e- en la Membrana
Tilacoidal
Reacciones de fijación de C en
el estroma
Azúcares, Aminoácidos, Ácidos grasos
31
En los cloroplastos, los pigmentos fotosintéticos (clorofila a, clorofila b y carotenoides) son encerrados en estructuras de membranas llamadas Fotosistema I (PSI) y Fotosistema II (PSII). Los e- son transportados de PSII a PSI vía la cadena de transporte de e-.
Espacio Tilacoide
Estroma
Fotosistema II Fotosistema I
Reacciones Fotosintéticas de transferencia de e-
Estroma
ADP + Pi
ATP
Los fotones inciden sobre PSII, excitando y liberando 2 e-, que pasan al primer aceptor de e-, la feofitina. Los e- los repone el primer dador de e-, el dador Z, con los e- procedentes de la fotólisis del agua en el interior del tilacoide . Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del tilacoide, y el O2 es liberado.
BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 32
Variaciones de Potencial redox durante la fotosíntesis
33
Reacciones de Fijación de Carbono
3 Moléculas de CO2 se fijan y dan una producción neta de 1 molécula de 3-fosfato y un costo neto de 9 moléculas de ATP y 6 moléculas de NADPH
Azúcares, Aminoácidos y Ácidos grasos
Ribulosa 1,5 diP compuesto rico en energía favorece la fijación del CO2.
Se requiere 2 NADPH y 3 ATPSe produce gliceraldehído 3-P
que puede transformar en Fructosa 6-P y glucosa.
Se forma Sacarosa que luego se transporta desde las hojas a toda la planta.
El gliceraldehído que se queda en el cloroplasto es transformado en almidón.
BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 34
La fijación del CO2 ocurre en tres estados
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Reducción del 3PG
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Otras funciones de los cloroplastos
Síntesis de ácidos grasos y aminoácidos en el estroma
El poder reductor impulsa la reducción de nitritos (NO2
- a amoniaco (NH3), necesario para síntesis de aminoácidos y de nucleótidos.
37
Árbol filogenético de la probable evolución de los cloroplastos y mitocondrias