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MITOCONDRIASMITOCONDRIAS

DrDr. Alejandro Roth. 2009. Alejandro Roth. 2009

Mitocondrias en 4 puntosMitocondrias en 4 puntos

1. Son organelos característicos de las células eucarióticas, y se postula que sonresultado de un evento endosimbiótico.

2. En ellas se produce una serie de reacciones de óxido-reducción cuya energíalibre es utilizada para la síntesis de ATP.

3. En las células aeróbicas, el piruvato formado en la glicólisis (anaeróbica) estransportado a la mitocondria donde es oxidado por el O2 a CO2.

4. Estas reacciones de oxido-reducción generan una diferencia en la concentración deprotones entre el interior y el exterior de la membrana interna de lasmitocondrias. El transporte de los protones a favor de su gradiente deconcentración (∆G<<0) permite acoplar fosfato a ADP, generando el grueso delATP producido por la conversión de glucosa a CO2.

http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n5/animation/nrg0501_342a_swf_MEDIA1.html

Resumen de la fosforilación oxidativa en mitocondrias

Transporte de sustratos al interior de la mitocondria:piruvato y Acil-CoA-de-AcGrasos

+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi

+ 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

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Ciclo del ácido cítrico

El paso final de la oxidación de loscarbohidratos y lípidos se produce en elciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs.

Reacciones por enzimas en la matrizmitocondrial. Sustrato fundamental es elacetil CoA.

Primero, un residuo acetilo del acetil CoAse condensa con una molécula deoxaloacetato para dar citrato.

Luego, a través de una secuencia dereacciones (etapas 2 a 8) cada moléculade citrato es convertida en oxaloacetatoperdiendo 2 moléculas de CO2 en elproceso.

En el ciclo, cuatro pares de electronesson removidos de los átomos decarbono: tres pares de e- sontransferidos a tres moléculas de NAD+

para formar 3NADH + 3H+ y un par estransferido al aceptor FAD para formarFADH2.

Ciclo del ácido cítrico

ATP formado =?

Fosforilación oxidativa

El NADH y el FADH2 transfieren electrones a la cadena respiratoria ubicada en lamembrana interna mitocondrial (MIM) constituida por tres grandes complejosenzimáticos:el complejo I NADH deshidrogenasa (NADH-CoQ reductasa, 880 kD) , el complejo IIIcitocromo b-c1 (CoQ-citocromo c reductasa) y el complejo IV citocromo c oxidasa.

coenzima Q

proteína soluble

Fosforilación oxidativa

Cada uno de estos complejos actúacomo una bomba de protonesimpulsada por el transporte deelectrones. La pérdida de electronesregenera las formas oxidadas deNAD+ y FAD y las formas reducidasdel aceptor. Los electrones sonfinalmente transferidos al O2.

Los ΔG de estas reacciones son muynegativos, indicando éstas sonfuertemente exergónicas.

Al pasar electrones de una moléculatransportadora a la otra la energíaliberada es usada para bombearprotones al espacio intermembranas,generándose una diferencia depotencial electroquímico de protones(ΔμH+) a través de la membranainterna.

coenzima Q (Q)

soluble protein

Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa es el proceso en cual se forma ATP como resultado de latransferencia de electrones desde el NADH o FADH2 al O2 por medio de una serie detransportadores de electrones en la membrana interna mitocondrial.

Las reacciones de la vía glicolítica y del ciclo de Krebs producen la conversión de1 molécula de glucosa en 6 de CO2 y la reducción de 10 NAD+ a 10 NADH y 2 FADa 2 FADH2.

http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n5/animation/nrg0501_342a_swf_MEDIA1.html

CarácterCarácterísticas ísticas probables deprobables delos los protoeucariontesprotoeucariontes

1. Células Depredadoras:• Sin pared celular, por lo tanto, capaces

de fagocitar.• Gran Tamaño,• Citoesqueleto• Núcleo protegido (de las presas y de

las enzimas digestivas).

CarácterCarácterísticas ísticas probables deprobables delas las protomitocondriasprotomitocondrias

1. ¿Parásitos intracelulares? Poco probabledebido a su eficiente metabolismo.

2. Cadena transportadora de H+ en lamembrana. Probablemente asociada yaa la generación de energía, perodesarrollada inicialmente para…

3. Sin núcleo definido.Gray et al. (1999); Science 283, 1476

Hipótesis alternativas que describen el origen delas células eucariontes.1. Fusión de un Archaeobacterio metanogénico(huesped que requiere H) con Proteobacterium(simbionte productor de hidrógeno)2. Eucarionte amitocondrial producido pot la fusión deArchaeobacterio con un Proteobacterium, adqusición demitocondrias por endosymbiosis con un alpha-Proteobacterium.

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2

Organización morfofuncional

Las mitocondrias poseen dos membranas fosfolipídicas que definen elespacio intermembranas y la matriz.

.

ADN mitocondrial

Origen bacteriano:

• Genoma Mitocondrial: Codifica 2rARN, 22 tARN y 13 polipéptidos

•Ribosomas: carácterísticasmixtas

•Síntesis protéica se inicia en N-fornil-Metionina (igual q’bacterias)

¿Dónde están los demásgenes?

Organización morfofuncional

Membrana externa: contiene proteínasintegrales: enzimas (i.e. monoamino oxidasa ycanales acuosos débilmente selectivos aaniones (VDACs) y permeables a moléculascon PMs hasta 4 o 5 KDa. Canalestranslocadores de proteínas (TOM)

Membrana interna: Plegada formando lascrestas mitocondriales. Contiene: lípidos30% ( PC, PE, cardiolipina) y proteínasintegrales (70%): complejomultienzimático de la cadenarespiratoria, ATPasa F0F1 o ATP sintetasa,transportadores y canales iónicos. Canalestranslocadores de proteínas (TIM)

Matriz mitocondrial: contiene enzimas, queparticipan en la oxidación de piruvato yácidos grasos y las del ciclo del ácidocítrico. Además, DNA mitocondrial, ribosomas,tRNA y enzimas para la expresión de los genesmitocondriales.

Cardiolipina, difosfatidilglicerol(membrana interna)

Las mitocondrias son organelos móviles y activos

Movimiento: Las mitocondrias no son organelos sésiles. Están asociados al citoesqueleto yresponden a estímulos.

División: ¿qué forma tiene una mitocondria? Estamos acostumbrados a una visión estática,sin embargo, las mitocondrias forman retículos mitocondriales o se dividen en múltiplesorganelos.

Imágenes de Alberts et al.MBC, 2008

EYFP (enhanced yellow fluorescent protein) con secuencia de dedestinamiento a mitocondrias de la SubU VIII de la Citocromo C. SYTOXOrange (Núcleo) y Falloidina-Alexa Fluor 350.

Michael W. Davidson , Florida State University

Reacciones químicas en la mitocondriaHay tres grupos de reacciones que ocurren en la membrana interna y la matriz:1- Oxidación del piruvato o ácidos grasos a CO2 acoplada a la reducción de los compuestosportadores de electrones NAD+ y FAD a NADH y FADH2.

2- Transferencia de electrones desde el NADH y FADH2 al O2: ocurren en la membranainterna y están acopladas al transporte de protones y a la generación de una diferencia depotencial electroquímico de H+ a través de dicha membrana .

3- Captura de la energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones para lasíntesis de ATP por el complejo ATPasa F0F1

e-

H+ H+

H+H+

H+

H+

e-

FADH2

Lodish et al. 2004

Activación: de piruvato a Acetil-CoA,

Las mitocondrias pueden usar piruvato (CH3-CO-COO-) o ácidos grasos como combustible,para formar la importante molécula portadora activada: acetil CoA.

El piruvato generado durante la glicólisis es transportado a través de las membranasmitocondriales a la matriz. Allí reacciona con la coenzima A para formar acetil CoA, NADHy CO2 en una reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa.

complejo piruvato deshidrogenasa

En el citosol los ácidos grasos libresson esterificados a la coenzima Apara formar acil-CoA en unareacción exergónica acoplada a lahidrólisis de ATP a AMP y PPi.

Las moléculas de acil-CoA setransportan a la mitocondria dondeson oxidadas a acetil CoA ymoléculas de acil CoA acortadas endos átomos de carbono (n-2).

Al mismo tiempo una molécula deNAD+ es reducida a NADH y una deFAD a FADH2.

Fuente de energía en las mitocondrias:Oxidación mitocondrial de ácidos grasos

Dudas sobre las Mitocondrias• ¿Qué función cumple la

presencia de 2 membranas?• ¿Cuál de las dos membranas

es crucial para la función de lasmitocondrias?

• ¿Cómo se obtiene la energíapara sintetizar ATP?

• ¿qué es una gradienteelectroquímica?

• ¿Por qué presentan crestasmitocondriales? ¿qué formastienen?

• ¿Cómo se hace una tomografíade una mitocondria en base amicroscopía electrónica?

• ¿cuáles son los posiblesorígenes de las mitocondrias?¿qué evidencia tenemos deesto?

• ¿Como se define simbiosis?• ¿Cuál es la función de la

cardiolipina?• ¿qué tipo de proteína es la ATP

sintasa?• ¿En que se diferencia la ATP

sintasa de la Na/K ATPasa?• ¿Qué enfermedades

mitocondriales pueden afectarlos tejidos de maneradiferencial?

+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi

+ 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O2

Glicólisis