Tema 3 Mitocòndries-signed (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 3º curso
Asignatura Metabolisme i la seva regulació
Año del apunte 2015
Páginas 15
Fecha de subida 21/01/2015
Descargas 11
Subido por

Vista previa del texto

Tema 3: Les mitocòndries, centrals energètiques de les cèl·lules CAyES Les mitocòndries són uns orgànuls petits que estan en la majoria de les cèl·lules eucariotes, normalment envolten el nucli, però tenen disposicions cel·lulars diverses que no estan fixes. Són orgànuls formats per una doble capa membranosa que fa que tinguin uns espais diversos i que a traves d’aquestes membranes només puguin passar algunes substancies. Permet compartimentar els processos de manera eficaç. La membrana interna està molt invaginada, formant unes crestes, que augmenten mot la superfície cel·lular perquè en aquesta superfície es troben inserides un conjunt de proteïnes que son importants en el metabolisme oxidatiu.
En el metabolisme els combustibles es van degradant en fases successives, es van transformant per processos normalment d’oxido-reducció fins que acaben sent més petits donant com a producte final CO2. Durant els processos d’oxido-reducció sutilitzen coenzims equivalents ens els processos. A les mitocòndries, els coenzims oxidats que s’han anat reduint en el procés de degradació fins a CO2 són reoxidats alliberant els electrons en un procés anomenat cadena de transport electrònic, que passen per un conjunt de transportadors d’electrons amb un potencial de redox estàndard cada vegada més baix que faci possible la transferència d’electrons, i al final té un últim acceptor que és l’O2 que forma finalment H20. Aquesta reacció, la part final té la síntesis acoblada d’ATP.
La primera fase és la entrada de substancies degradades per la mitocòndria en forma d’AcetilCoA que entra al cicle de krebs que finalment dona CO2, electrons i una molècula de GTP, això passa a la cadena respiratòria mitjançant l’espai intramembranós del mitocondri, produint finalment ATP.
Complex de la privat deshidrogenasa: La primera etapa és la transformació final dels substrats que en el catabolisme s’han anat produint fins al AcetilCoA. Comencem pel piruvat, que es la molècula que prové de la degradació dels sucres i d’alguns aminoàcids (intermediaris claus del metabolisme a la fase de catabolisme). El piruvat es transportat dins de la mitocòndria, s’ha format al citoplasma, a la fase inicial del metabolisme, es transporta dins de les mitocòndries per un transportador específic, ja que no és una molècula quee pugui passar lliurement a través de la membrana externa. Dins, el piruvat és transformat en AcetilCoA per una descarboxilació oxidativa, és a dir, es perd un CO2 i es produeix un procés d’oxidoreducció. La piruvat deshidrogenasa, que és un complex enzimàtic, te un paper clau en el metabolisme, que fa una reacció irreversible amb una variació d’energia força negativa descarboxilant oxidativament el piruvat i formant AcetilCoA.
CAyES És un complex multienzimàtic gegant (4-10 milions daltons) format per tres enzims diferents.
- L’enzim 1 és l’enzim que fa la descarboxilació oxidativa del piruvat associat a un procés d’oxidació reducció, com a coenzim unit al enzim te el pirofosfat de tiamina (TPP), esta format per 24 cadenes.
- L’enzim 2 és l’enzim dihidrolipoil transatilasa també format per 24 pèptids fa servir com a cofactor (coenzim) l’àcid lipoic (llarga cadena hidrocarbonada amb dos sulfidrils al extrem que bascula sobre l’enzim i que permet anar d’un enzim a l’altre. Aquest enzim catalitza la transferència del grup acetil fins al coenzim A, és una transferasa.
- L’enzim 3 és l’enzim dihidrolipoil desidrogenasa que és més petit, que fa servir com a coenzim el FAD i serveix per regenerar la lipoamide formada, és a dir, el coenzim àcid lipoic el regenera oxidant-se, i reduint el NAD+.
Al ser irreversible aquesta reacció, implica que al passar a AcetilCoA, que és el producte de la reacció no es pot formar glucosa. Quan degradem el piruvat a AcetilCoA amb la piruvat deshidrogenasa és irreversible, per tant, el AcetilCoA una vegada format o va a parar al cicle de krebs per donar CO2 o bé es transforma en lípids (àcids grassos), però mai en glucosa. Aquest enzim porta a la degradació d’un determinat tipus de combustible per obtenir energia. Per tant, quan la cèl·lula té energia ha d’inhibir la seva activitat, ja que no és necessari degradar el piruvat. Quan les concentracions de ATP i NADH són les dues senyals que indiquen que la cèl·lula té energia i per tant aturen tots els processos que els produeixen, com és l’enzim piruvat deshidrogenasa.
CAyES Aquí hi ha una imatge del mecanisme clau de regulació de la modulació covalent de E1, els altres dos enzims no són susceptibles de regulació.
Quan el piruvat passa a AcetilCoA el NAD+ és redueix.
La PDH existeix de dues formes, una activa i quan està fosforilada, inactiva. Quan té grups fosforics units al grups hidroxils de la seva cadena adopta una estructura tridimensional que fa que no sigui capaç de catalitzar la reacció, però quan es desfosforila és activa.
La fosforilació es fa mitjançant les quinases i al revés per les fosfatases. Totes les molècules de la dreta són moduladors al·lostèrics de la quinasa o la fosfatasa. És passa d’una a altra amb un conjunt de moduladors que actuen en aquest enzim regulant-lo.
El múscul quan està en repòs, quan no hi ha demanda energètica, perquè no ens cal consumir combustibles.
Per tant les relacions NADH/NAD+, AcetilCoA/HSCoA i ATP/ADP són elevades, quan passa això l’enzim PDH està inactivat perquè actua la quinasa que la fosforilat.
En canvi, en condicions d’exercici, quan el múscul necessita energia, comença l’estímul energètic. El principal efector és el Ca+ i és activador de la fosfatasa i inhibidor de la quinasa, per tant la PDH s’activa, també gràcies a les altres concentracions de NAD+, ADP i piruvat.
En alguns teixits hi ha regulacions per hormones, regulacions hormonals, que fan que tingui sentit el context del metabolisme.
- En el múscul principalment les catecolamines, són les hormones d’alarma, d’estrès, hormones que serveixen evolutivament als animals per quan veuen un perill escapar-se corrents.
- En el fetge, l’òrgan de control de metabolisme, de redistribució de nutrients, de cúmul de combustibles en forma de glúcids.
o És la insulina la que estimula la fosfatasa. La insulina és una hormona anabòlica, quan puja la glucosa, puja la insulina i treu la glucosa del torren sanguini, passa la glucosa a utilitzar-la o bé com a glicogen o bé com a lípids. Per tant s’activa la PDH per tal d’augmentar la formació de glucosa en àcids grassos. Puja la insulina, baixa la glucosa. Uns dels mecanismes de que baixi la glucosa es transformant de piruvat en greixos, és a dir, activant la PDH, si passem piruvat a AcetilCoA, aquest AcetilCoA no pot tornar cap a glucosa però si cap a lípids (greixos).
o L’epinefrina s’uneix al receptor a-adrenèrgic per iniciar la ruta del fosfatidilinositol, fet que provocoa un augment en la concentració de calci, que activa la fosfatasa.
CAyES Fins ara hem vist la part de l’esquerra, glicogen, glucosa, piruvat... però, com es pot veure aquí, l’acetilCoA també pot vindre de les proteïnes mitjançant la proteòlisi i la desaminació i oxidació o per els àcids grassos, mitjançant la b-oxidació. Al final l’AcetilCoA entra al cicle de krebs i dona CO2 i aporta energia a la cèl·lula. No obstant, l’AcetilCoA pot servir per a la síntesis del colesterol, d’àcids grassos o de cossos cetònics.
El cicle de krebs i la seva regulació: És una via que serveix per obtenir energia quan la cèl·lula ho necessita però serveix també per altre coses, és una via multifuncional. Interconverteix tot un conjunt d’intermediaris que serveixen per diverses coses i que quan convé degrada combustibles però també fa altres funcions. Inicialment, i per ara, és la ruta final del catabolisme dels productes primaris. Alguns científics apunten que el cicle de krebs és una mena de complex multienzimàtic que fan que així es dongui amb més eficiència el cicle, però no és algo segur.
Al cicle de krebs lo que entra és una molècula d’AcetilCoA que es condensa, és una molècula de dos carbonis que es condensa en una molècula de quatre carbonis que és l’oxalacetat i forma citrat que és el primer enzim, el citrat sintasa que catabolitza aquesta reacció, és un dels punts claus de la regulació del cicle.
La citrat sintasa agafa una molècula de dos carbonis (AcetilCoA) i el condensa en una molècula de quatre carbonis, un àcid dicarboxilic (oxalacetat) i forma aquesta molècula de citrat. Després és sotmesa a un parell de deshodrigenacions successives, és a dir, processos d’oxido-reducció els qual el reequilibri de la molècula allibera energia, aquesta energia s’aprofita per sintetitzar coenzims reduïts.
Al final tenim SuccinilCoA, que és una molècula que té una energia lliure estàndard que serveix per acoblar amb la síntesi d’un nucleòtid fosforilat, aporta molta energia a la transformació de succinilCoA a succinat, al trencament del CoA, i aquí tenim la síntesis d’un nucleòtid trifosfat que es la síntesis directa que es fa d’aquesta reacció. Després aquesta molècula de succinat es reorganitza en processos d’oxido-reducció per tal d’acabar donant l’oxalacetat inicial.
És el TCA contrari al principi de simplicitat biològica? Perquè cal una via complexa només per trencar l’acetat? Perquè d’una molècula de dos carbonis s’ha de fer tot aquest conjunt de reaccions per acabar donant dues molècules de CO2? Perquè el cicle de krebs ocupa una posició central en el metabolisme intermediari. Tots aquesta intermediaris, el citrat, l’oxalacetat, succinat, fumarat... són intermediaris del metabolisme, molècules que estan a la cèl·lula i que provenen d’altres reaccions i la cèl·lula no les té etiquetades ni compartimentades. Per exemple, quan l’aminoàcid aspartat es degrada i dona oxalacetat, aquest oxalacetat és el mateix intermediari que està condensant-se al CoA per formar Citrat. La cèl·lula no distingeix a que intermediari ve d’aquesta via o de l’altra, la cèl·lula té un conjunt d’intermediaris que estan compartimentats i que quan troba un enzim el transformen en producte en aquest cas tenim un conjunt de reaccions, que energèticament s’ordenen d’una manera favorable, que estan presents a la cèl·lula, serveixen els seus propòsits i en conjunt formen el cicle de krebs, és a dir, no és que la evolució hagi dissenyat el cicle de krebs, si no que l’evolució ha anat creant enzims que creen substrats en productes i una de les organitzacions que s’han produït, que nosaltres observem es la del cicle de krebs.
CAyES D’alguna manera el cicle de krebs ocupa una posició clau, ja que intermediaris de 4, 5 i 6 àtoms de carboni estan en el conjunt del metabolisme dels aminoàcids, dels sucres... això implica que no només funcioni per degradar combustibles, sinó que comporta que hagi d’haver unes reaccions a la cèl·lula que quan calgui augmentar els intermediaris es puguin augmentar, és lo que es diuen reaccions anapleròtiques. Aquestes reaccions anapleròtiques serveixen per omplir el cicle de krebs, quan ha de fer un tipus de reacció o una altra es fabriquen intermediaris. Però també que el conjunt d’aquestes reaccions pugui anar en un sentit o en un altre segons convingui a la cèl·lula en el sentit de síntesis o de degradació aquestes reaccions ens diuen reaccions o rutes amfibòliques.
Quan el cicle de krebs té un sentit catabòlic, és a dir, quan crea ATP, la principal entrada de combustible és l’AcetilCoA i si la cèl·lula necessita augmentar la producció d’ATP altres reaccions també s’han de regular, per exemple, si la concentració d’AcetilCoA és elevada però la producció d’oxalacetat no, el cicle de krebs no es donarà per crear citrat i seguir així el cicle. Per tant, cal que simultàniament i hagi mecanismes que augmentin la concentració d’oxalacetat i així augmentar el flux del cicle i també la formació d’ATP. Aquests mecanismes es diuen reaccions anapleròtiques (ompliment del cicle).
Reaccions anapleròtiques: conjunt de reaccions que bàsicament en els mamífers són quatre: - Piruvat carboxilasa: És la primera reacció de la gluconeogènesi, és la reacció que inicia la síntesi de glucosa i de piruvat. Catalitza una reacció essencialment irreversible, ja que a la mitocòndria les concentracions d’OAA sóm molt baixes. És un enzim al·lostèric activat per AcetilCoA. Quan l’AcetilCoA s’acumula estimula la reacció dela piruvat carboxilasa per produir més OAA, fent possible queel cicle oxidi quantiat d’AcetilCoA.
- Piruvat carboxiquinasa: Fosforila el fosfoenolpiruvat (intermediari de la glucòlisi) que està abans del piruvat.
- Enzim màlic: Converteix el piruvat, el carboxila, però no el passa a oxalacetat, en aquest el passa a malat.
- Glutamat deshidrogenasa: Utilitza el glutamat com a font de alfacetoglutarat, transaminant l’aminoàcid.
CAyES Per tant hi ha 4 reaccions que tenen mecanismes anapleròtics, és a dir, d’omplir el cicle de krebs. Són un conjunt de transformacions possibles que lliguen els intermediaris del cicle de krebs. Aquests intermediaris del cicle, l’organisme és capaç d’utilitzar-los per augmentar la concentració d’oxalacetat o d’alfacetoglutarat... perquè hi hagi més concentració d’oxalacetat i pugui absorbir el AcetilCoA que li està arribant. La que està més ben regulada d’aquestes 4 reaccions és la de la piruvat carboxilasa (l’enzim que carboxila el piruvat per donar oxalacetat i també el primer enzim de la gluconeogènesi, per formar glucosa). Aquest enzim té moduladors al”al·lostèrics, un activador d’aquest enzim és l’AcetilCoA per així augmentar el flux del cicle, ja que si hi ha AcetilCoA augmentarà l’oxalacetat.
Hi ha un control primari per disponibilitat de substrats, la necessitat de que les cèl·lules tinguin combustibles o no, que fa que el metabolisme vagi en una direcció o en una altra direcció. El consum d’ATP per donar ADP +Pi lligat a processos actius, processos que necessiten energia, processos musculars... quan la cèl·lula funciona, l’organisme funciona, està consumin ATP, després per passar a ATP altre cop el que cal és utilitzar els coenzims reduïts, normalment NADH, que passen a les formes oxidades a través de les cadenes respiratòries, i aquestes formes oxidades tornen a les formes reduïdes a través del cicle de krebs. Són processos que van acoblats i que depenen de l’ATP, si la cèl·lula està gastant ATP té ADP per acceptar el procés de cadenes respiratòries i funciona la ATPasa i és quan es pot sintetitzar l’ATP. I és en aquest moment quan els coenzims (NADH) és poden oxidar al passar per la cadena respiratòria, però si no hi ha aquests coenzims oxidants aquest procés no funciona, perquè la concentració dels coenzims és limitant, perquè o està en forma oxidada o en forma reduïda.
No és senzill modificar la concentració d’aquests nucleòtids a la cèl·lula. Per tant hi ha un control primari que ve mediat per la disponibilitat de coenzims. Si no hi ha NAD, però si isocitrat, aquest isocitrat no es podrà transformar en alfacetoglutarat perque no hi ha NAD. I no hi ha NAD a no ser que estigui funcionant el flux del catabolisme d’electrons entre coenzims reduïts en la síntesis d’ATP.
Altres paràmetres que poden afectar el cicle són la [Acetil-CoA]/[HS-CoA], la [Acetil-CoA]/[succinil-CoA] i la [citrat]/[OAA] Hi ha altres control, però que no són primaris per disponibilitat de substrats, són controls específics sobre alguns dels enzims claus del funcionament del cicle. El primer dels controls específics és a través de la citrat sintasa.
- Citrat sintasa: És l’enzim que condensa l’AcetilCoA amb l’oxalacetat per donar Citrat (el primer enzim del cicle de krebs). És un enzim al·lostèric, que està modulat negativament pel producte de la reacció, el citrat. En circumstancies en la que s’acumula el citrat, s’inhibeix l’enzim, ho fa únicament per estalviar la despesa energètica. La citrat sintasa té un paper significatiu perquè és un enzim generador de flux a partir de la concentració d’AcetilCoA. D’altra banda, la citrat sintasa és activada al·lostericament per l’oxalacetat.
CAyES A més a més de la citrat sintasa hi ha altes controls com pot ser la isocitrat deshidrogenasa, que és l’enzim que ve després de l’isocitrat. Transforma aquest en alfa cetoglutarat. L’isocitrat que és una molècula de 6 carbonis per un procés d’oxido-reducció que esta catalitzar per la isocitrat deshidrogenasa que es un punt clau de regulació del cicle, perquè és un enzim al·lostèric activat per calci i ADP i inhibit per NADH i ATP.
Un altre punt de control és la reacció que està mediada per alfa-cetoglutarat deshidrogenasa que té com a substrat l’alfacetoglutarat que passa a succinil-CoA. És molt semblant funcionalment i estructuralment a la piruvat deshidrogenasa (piruvat a AcetilCoA). Lo que aquí, passa una molècula de 5 carbonis (alfa.cetoglutarat) a succinil-CoA, produint una molècula de CO2 i NADH reduït. També és un enzim, complex multienximatic, al·lostèric modulat per inhibidors i activadors, un activador és altre cop el calci i els inhibidors són els ATP i els NADH. En aquest cas, el producte de la reacció (succinil-CoA) també inhibeix l’enzim perquè no s’acumulen a la cèl·lula molècules que porten CoA associat, ja que és una molècula complexa que en els mamífers no la podem sintetitzar, amb una concentració limitada.
CAyES EL TCA in vivo: b-oxidació, cetogènesi, degradació d’aminoàcids Beta-oxidació: Els àcids grassos de cadena llarga es degraden a la cèl·lula pricipalment per b-oxidació intramitocondrial. Els àcids grassos es van trencant de dos en dos carbonis donant AcetilCoA. És un procés que funciona dins de les mitocòndries i que te un factor limitant i important en la regulació, que és la transferència dels àcids grassos des de citoplasma fins a l’interior de la mitocòndria. La b-oxidació utilitza els àcids grassos activats amb coenzimA, aquest acilCoA ha d’entrar a les mitocòndries des de el citoplasma, ja que es forma aquesta molècula al citoplasma. Ve de la degradació de les reserves dels triacilglicerols i es degraden i s’activen al citosol mitjançant l’acilCoA. Seguidament aquesta molècula ha d’entrar, el sistema d’entrada és a través d’un transportador específic de membrana, transportador de grups acils, que es diu carnitina.
- Carnitina: Molècula de membrana que fa aquesta funció de transferir-se d’un costat, de la membrana externa passa cap a l’interior de la mitocòndria.
El primer procés de transferència del grup acil és passar el grup acil del coenzimA a la carnitina alliberant-se el coenzimA i donant acilcarnitina. Aquesta reacció està catalitzada per la carnitina aciltransferasa I.
- Carnitina aciltransferasa I: Té un paper rellevant en la regulació de l’oxidació dels àcids grassos. És un enzim important, es controla de diverses formes, per exemple, la insulina. Modificant el gen que codifica per aquest enzim hi haurà més concentració o menys d’aquest enzim a la cèl·lula.
La cèl·lula incorpora àcids grassos a la mitocòndria si els ha de degradar. I es para el procés de transferència a nivell de la carnitina aciltranferasa I. També és un enzim al·lostèric que és modulat pel MalonilCoA.
- MalonilCoA: intermediari de la síntesi dels àcids grassos. La síntesi es fa amb molèecules de tres que s’ajunten de dos en dos.
Aquest és inhibidor al·lostèric de la carnitina aciltransferasa I. Perquè això indica a la cèl·lula que quan s’estan sintetitzant no cal que es degradin perquè entraríem en una contradicció a la cèl·lula.
Una vegada la carnitina té el grup acil incorporat en forma d’acilcarnitina, aquesta molècula pot entrar dins de la membrana mitocondrial i seguidament hi ha un altre enzim que fa la reacció inversa que és la carnitina aciltransferasa II, és un isoenzim que en aquest as té més afinitat desacilar la carnitina. Per tan, en aquest cas es forma altra vegada l’àcid gras amb el CoA i la carnitina queda lliure.
Per tal de trencar l’àcid gras en molècules de dos carbonis és segueix un procés oxidatiu que es lo que es diu boxidació per tal de fer molècules més petites.
CAyES Dona molta més energia la degradació d’un àcids gras, 106 molècules d’ATP per molècula d’àcid gras que per exemple la glucosa que dona 31 molècules d’ATP.
En algunes cèl·lules del fetge quan hi ha una activació de la gluconeogènesi es pot produir una situació en al qual els àcids grassos van degradant acetilCoA i aquest pot anar entrant al cicle de krebs. Es pot donar el cas que quan la cèl·lula necessita glucosa, capta l’oxalacaetat del citoplasma, i per tant, aquest producte d’entrada important del cicle de krebs mancarà i no podrà formar citrat. Quan volem activar el cicle de krebs, amb les reaccions anaupleuròtiques podem augmentar la concentració d’oxalacetat, pero si l’oxalacetat es treu per fabricar glucosa l’AcetilCoA s’acumula al citoplasma. En aquestes circuntancias, si a més a més es van degradant acids grassos, l’acetilCoA s’acumula, i per evitar una acumulació excessiva, el fetge transforma l’AcetilCoA en cossos cetonics. Que s’exporten per la sang fins als teixits perifèrics on es poden utilitzar. Aquesta situació es dona durant el dejuni, quan no mengem cal augmentar la concentració de glucosa per mantenir la concentració constant, es mobilitzen els àcids grassos de reserva, es lissen els triacilglicerols que es troben en els òrgans de reserva, es degraden els TAG en àcids grassos, on seguidament es formarà l’AcetilCoA, però com alhora s’està sintetitzant glucosa, l’acetilCoA es transformarà en cossos cetònics. Els cossos cetònics es transformen en acetona parcialment.
En els teixits perifèrics, aquesta via de síntesis de cossos cetònics no funciona, lo que si que funciona és l’utilització. Als teixits perifèrics lo que es fa es reutilitzar els cossos cetònics (els 4 carbonis de l’acetoacetilCoA) es tornen a convertir en acetilCoA, entra al cicle de krebs i/o es transforma en greixos.
Tercera font de molècules que proporcionen acetilCoA de manera significativa a la cèl·lula pel cicle de krebs són els aminoàcids. Un conjunt de 20 molècules diferents que tenen totes elles un grup carbonil i un grup amino en la seva estrucutra, però que tenen cadenes laterals diverses, amb estructures diferents. quan es degraden els aminoàcids es treu el grup amino. Aquests a-cetoàcids es degraden modificant la seva estucutra fins que acaben donant intermediaris del cicle de krebs o del metabolisme central. Molt d’aquesta aminoàcids quan es degraden donen acetoacetilCoA. A diferencia dels sucres i els lípids, els aminoàcids quan es degraden com que són moltes molècules amb cadenenes laterals diverses no sempre donden acetilCoA, donen també altres itermediaries del cicle de krebs, com piruvat, oxalacetat, fumarat, succinilCoA, a-cetoglutarat. Amb la degradació de tots els aminoàcids acaben donant intermediaris del metabolisme central. En funció de si donen acetilCoA o no els aminoàcids es divideixen el seu catabolisme en glucogènics o cetogènics.
- CAyES Cetogènics: Són aquells que acaben donant acetilCoA o acetoacetilCoA, és a dir, molècules que no es poden convertir en glucosa. Donen productes cetònics, donen lípids.
Glucogènics: La resta d’aminoàcids, si que poden donar glucosa, perquè donen oxalacetat, donen piruvat, succinat... molècules de 4 carbonis com a mínim.
Ara passem a la fase final del funcionament de les mitocòndries que és la cadena respiratòria i síntesis d’ATP.
Les cadenes respiratòries és un procés lligat a la membrana mitocondrial, que consisteix en un seguit de transportadors electrònics enllaçats pels seu potencial redox estàndard que fa possible que transfereixin els electrons dels substrats que els subministren fins a l’oxigen que s’acaba reduint fins donar aigua.
Aquests transportadors estan organitzats en 4 complexes: - Complex I: És el que recull els electrons provinents dels coenzims NAD reduïts, que es fabriquen en el cicle de krebs o en la glucòlisi. Comencen la transferència en la cadena respiratoria alliberant un parell d’electrons i allibern dos protons que són transferits cap a la intermembrana de les mitocondries on desprñes podran ser recuperats per la part interna generant una diferencia de potencial.
- Complex II (succinat deshidrogenasa): és un enzim del cicle de krebs, porta FAD com a grup prostetic. I lo que va és treure els electrons del succinat i transformar-se en fumarat, cedint els electrons cap al sistema de la cadena respiratoria, alhora que el FAD, que és el grup prostetic es reoxida.
- Tots aquestes electrons van a parar al coenzimQ que inicia la segona fase de tranferència que activa el complex III.
- Complex III: Fa lo mateix que abans, captura electrons i cedeix protons que van a parar després al citocrom III que recull els electrons, transfereix els protons, redueix l’oxigen foramt una molècula d’aigua.
Tot això es fa per tal de crear una diferencia de potencial, que al estar acoblat a una ATPasa aquests protons que han entrat tornaran a sortir per la ATPasa produint així la síntesis d’ATP.
Aquests procés té una regulació molt senzilla ja que és un procés molt primari. A les cèl·lules es pot mesurar fàcilment el consum d’oxigen i es pot mirar en funció del temps com va canviant. El funcionament de les cadenes respiratòries que és el procés que esta consumint oxigen per poder-lo reduir formant aigua, és un procés que depèn d’ADP. La respiració és proporcional al consum d’ADP cel·lular, si hi ha ADP les cadenes respiratòries funcionen. Si no hi ha ADP es para, perquè la concentració dels nucleòtids adenina és limitant a la cèl·lula, hi ha una concentració finita, no vol dir que no hi hagi vies de resínteis de nucleòtids d’anenina, ni que l’ATP no es pugui metabolitzar. Si estan en forma d’ADP no estan en forma d’ATP. Les cadenes respiratòries serveixen per sintetitzar energia, utilitzar els substrat per fabricar ATP, per tant, només funciona quan esta en presencia d’ADP en concentracions elevades. Aquest és el mecanisme primari de regulació d’aquest procés.
Translocació ATP-ADP. Importació de proteïnes: L’ATP i l’ADP no poden passar per la membrana mitocondrial lliurement, sinó que necessiten un transportador per fer-ho. L’entrada i sortida d’ATP és un procés pel qual es produeix un translocador que està a punt per acceptar una molècula d’ATP, hi ha un canvi de conformació de la proteïna, que permet que entri dintre del compartiment intern i una vegada dins s’alliberà l’ATP a la matriu mitocondrial. Aquest translocadors farà sortir ATP fora de la mitocondria i farà entrar l’ADP dins del a matriu mitocodrial per tal de mantenir aqeust equilibri ATP/ADP. D’aquesta manera aquesta ATP-ADPtranslocasa és un punt de control, és el que determina el bescanvi de nucleòtids i fa possible el ritme de la respiració. Aquesta proteïnes és molt abundant en al mitocòndria, el 15% és aquesta translocasa del a mitocòndria, per tant no és limitant. És un procés energèticament costós, molta energia es gasta per fer aquest procés. Degut que les dues molècules tenen càrregues diferents, al final es crea un canvi de potencial entre el citosol i la membrana mitocondrial que s’ha de tornar a reequilibrar amb la translocació de protons consumint energia.
CAyES Hi ha una altre mecanisme que també té un consum energètic important associat, però que és un punt significatiu de control de síntesi d’ATP i de funcionament de les cadenes respiratòries que és la síntesi de proteïnes mitocondrials. Les mitocòndries són unes estructures cel·lulars que mantenen residualment la síntesis d’algunes proteïnes. Tenen un genoma propi i sintetitzen algunes proteïnes, encara que molt poques. Aquest és un procés que gasta de manera important l’energia cel·lular, energia basal (gastem en repòs), que és per incorporar proteïnes al interior de les mitocòndries i alhora és un punt important de regulació del funcionament cel·lular, controlant l’entrada de proteïnes a la mitocòndria es pot controlar el funcionament del a cèl·lula.
Hi ha 5 vies destinades al transport de proteïnes al interior de les mitocòndries. És un camp que està en investigació avui. Les dues vies més ben establertes són les que estan al esquema.
CAyES A la part on està incorporat el transportador TOM hi ha la membrana externa. A la membrana externa de la mitocòndria hi ha el transportador que es diu TOM. I a la membrana de dintre esta el transportador que es diu TIM. Són uns transportadors sofisticats amb unes subunitats diverses que són capaços de reconèixer diferents estructures proteiques, diferents seqüències d’aminoàcids, i així poder transferir aquestes proteïnes cap a la part interna de la mitocòndria que es on han d’exercici la seva funció.
- La via B: és una via fàcil de visualitzar, el pèptid 70 del transportador TOM és capaç de reconèixer algunes proteïnes que passen pel seu través, entren al espai intermembrana on s’ajunten amb unes chaperones petites que les incorpora a la membrana interna de la mitocòndria.
- La via A: tenen una seqüència senyal a la seva estructura proteica. En aquest cas, quan aquesta seqüència es parteix el TOM 22 la reconeix i fa possible que s’acobli i que passi cap a la part intermembrana de la mitocòndria.
Després també hi ha tres vies més però en aquest cas no es basa en proteïnes que poden unir-se al receptor 70 del TOM o de les que tenen seqüències senyals, sinó que són proteïnes que segons de què siguin riques, com riques en cisteïnes, per exemple, pues aniran cap una via o cap una altra. Només depèn de l’estructura secundària de les proteïnes.
El procés de síntesis de proteïnes és un procés que consisteix en dues vies de funcionament cel·lular en la mitocòndria, unes proteïnes que van pel procés de TOM TIM i l’altra via són les proteïnes que es transcriuen del genoma mitocondrial, uns quants peptids que formen part de la respiració oxidativa.
El punt principal de control de la síntesis de proteïnes, per lo tant, de la formació de mitocòndries i del funcionalisme és el receptor PCG1alfa.
- PCG-1alfa: És una proteïna que activa a un receptor nuclear, NPF. Quan s’ajunta amb aquest receptor nuclear, provoca la transcripció del conjunt de gens. Influeix tot el procés de síntesis proteica. És una proteïna important en la regulació del metabolisme energètic, ja que fa un paper d’intermediari entre senyals i regulació de vies metabòliques a través de la transcripció.
- El Tfam: És una altra proteïna que lo que fa és sortir del nucli, arriba a la mitocòndria i provocar la transcripció.
Termogènesi i teixit adipós marró: Té incidència en el funcionament global de l’organisme, sobretot en els processos del control del pes corporal.
És el fenomen de la termogènesis que es produeix en una part especialitzada del teixit adipós, és lo que s’anomena teixit adipós marró. El teixit adipós té una estructura que té la funció principal d’acumular grassa per tal de mantenir el flux de substrats quan no hi ha ingesta. El teixit adipós està distribuït per tot l’organisme, una part és subcutània, l’altra part està protegint les vísceres... quan s’analitza l’estructura del teixit adipós es detecta que hi ha un teixit adipós normal (el blanc) i després altres estructures del teixit adipós que es diuen marró perquè tenen un color marró intens. Són unes cèl·lules que tenen una acumulació molt significativa de mitocòndries (per això el color vermell, marró). En principi unes reserves amb molts mitocondris, amb molta respiració oxidativa no és el que s’espera. S’ha vist que tenen una característica diferencial de les altres cèl·lules adiposes de les blanques, perquè en les marrons s’expressa una proteïna que és la termogenina (UCP).
- CAyES Termogenina (UCP): És una proteïna que fa de porus de protons a la membrana interna de la mitocòndria. És a dir, que quan està present l’acoblament necessari del flux de protons amb la síntesis d’ATP no es pot produir. Hi ha un forat que fa sortir els protons de la membrana interna de la mitocòndria cap al citosol altra vegada.
Llavors, les mitocòndries produeixen calor, perquè tota l’energia que prové del flux d’electrons de les cadenes respiratòries no s’aprofita per sintetitzar ATP i es desprèn calor. És un mecanisme que fa servir l’organisme per produir calor (termogènesi no tremolosa o adaptativa), no depèn tant de la contracció muscular sinó que depèn de la proteïna UCP si tanca o deixa obert el porus. El teixit adipós marró esta innervat amb el sistema simpàtic, que es un sistema de coordinació entre el sistema nerviós central i del metabolisme. Rep el sistema simpàtic, té receptors beta3adrenergics (és un tipus de receptor) que quan el sistema simpàtic estimula provoca la secreció de catecolamines que van al teixit adipós marró i indueixen la degradació de TAG per induir calor; alhora provoquen l’augment de la irrigació en el teixit adipós marró perquè es bescanvií per l’organisme.
Tot això no passa al teixit adipós blanc. Per altra banda, el teixit adipós marró està molt vascularitzat per poder fer possible la dissipació del calor.
Els animals que hibernen durant aquells mesos d’hivern,només funcionen amb el metabolisme basal. Aquests organismes van gastant el greix progressivament i a través del teixit adipós marró augmenten una temperatura constant. Després aquest tipus de teixit es va identificar en els humans, en els nens petits. Tenen necessitat de produir calor degut a l’elevada relació massa/àrea. Els adults també tenim TAM, té un paper important en la regulació del pes corporal, les persones obeses tenen menys teixit adipós marró que les persones primes.
També hi ha teixit adipós beix, les cèl·lules beix s’assemblen al es blanques en que tenen una expressió molt baixa de UCP-1, però, com fan les marrons responen a l’estímul d’AMPc amb una elevada expressió d’UCP-1 i una taxa elevada de respiració mitocondrial. Hi ha senyals que fan que cèl·lules del TAB passin a ser TAB o TAM, i aquests canvis són deguts a l’hormona IRISIN (produïda pel múscul que indueix l’activació termogènica del teixit adipós blanc).
Control de la producció de calor al TAM: Això funciona quan les catecolamines dues les beta3adrenergics (receptor) que activa la formació de AMP cíclic intracel·lular.
L’AMPc té la funció d’activar una lipasa (lipasa sensible a les hormones) que trenca els TAG i dona àcids grassos. Els àcids grassos entren dintre de la mitocòndria, s’activen, formen acetilCoA, carnitina, entren a la mitocòndria, comença el procés de b-oxidació que és induït pels àcids grassos activats, que també activen el cicle de krebs, i això va provocant la activació de la respiració, però com hi ha la termogenina, els protons que entren a la intermembrana mitocondrial tornen a sortir i es produeix calor.
Per tant aquests protons no es poden aprofitar per sintetitzar ATP.
D’altra banda, quan hi ha ATP disponible no es dona aquest sistema ja que s’atura tot aquest procés de cadenes respiratòries, cicle de krebs... El control primari és degut a les catecolamines.
Els factors que estimulen la producció de calor per les mitocòndries són la noradrenalina que es una catecolamina, la hidròlisi i oxidació dels àcids grassos i l’augment de l’expressió del UCP. Les molècules que inhibeixen l’expressió de la UCP són l’ATP, ADP...
Les proteïnes UCP no són exclusives d’aquest tipus de teixit (TAM), hi ha altres dues formes de proteïnes UCP, la UCP-2 i la UCP-3. Proteïnes que s’expressen en altres teixits.
- UCP1 és present al TAM i quan s’activa, al beix.
- UCP2 està present al ronyó, pàncrees, melsa, cèl·lules immunitàries i SNC.
- UCP3 està present al múscul esquelètic i en menor mesura en TAB i cor.
CAyES Per altra banda, en el cas de la UCP3 està present la proteïna HNE (hidroxinonenal) , que és un producte de l’estrès oxidatiu, de la no eliminació dels radicals lliures que es fabriquen en paral·lel en el funcionament de les cadenes respiratòries.
- HNE (Hidroxinonenal): Estimulador de les proteïnes UCP2 i UCP3.
Per tant, la UCP1 és la clau en la termogènesi adaptativa. Com que el TAM dissipa calor i per tant gasta energia, te interès en la regulació del pes corporal: els obesos tenen menys TAM massa/activitat que els prims.
UCP2 i UCP3 no tenen efecte en la termogènesi corporal. Estan implicades en diversos processos fisiològics i patològics incloent la protecció sobre l’estrés oxidatiu, regulació de processos de sensibilitat a la glucosa i l’adaptació de la capacitat d’oxidar AG en el dejuni.
CAyES L’estrés oxidatiu és un procés que va associat al funcionament dels microorganismes, el flux d’electrons per les cadenes respiratòries porta com a conseqüència, no només que això vagi a parar on ha d’anar a parar, és a dir, a l’oxigen que passi a aigua, sinó que l’oxigen acaba donant especies més reactives, que es diuen radicals lliures.
Per la reacció de fenton, partint d’aigua oxigenada, aquest radical lliure acaba donant un grup hidroxil molt tòxic a la cèl·lula. Com menys eficaç sigui el procés d’eliminar els radicals lliures a la cèl·lula, aquestes es van envellint.
Quan hi ha estrés oxidatiu el sistema provoca la formació d’una molècula que es activadora de les proteïnes UCP que fa que funcioni més les cadenes respiratòries i això protegeix a l’organisme d’aquest estrés.
...