Tema IX BioCel (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Biologia Celular
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 01/11/2014
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Apuntes de la asignatura Biologia Celular para cualquier grado de Biociencias (biologia, biomedicina, genetica, nanotecnologia, microbiologia, biotecnologia, bioquimica).

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1 Biologia celular Bloque IX: Mitocondrias La mitocondria es un orgánulo membranoso con una medida aproximada al de una bacteria (0.5-1 µm). En una única celula hay más de una mitocondria. Tienen como característica distintiva el hecho de que poseen crestas mitocondriales, las cuales pueden ser:  Transversales (las más comunes)  Transversales curvas  Longitudinales  Tubulares Las mitocondrias suelen estar dispersas en el citoplasma, solo están fijas en células especializadas que requieren un elevado aporte energético como por ejemplo la cola de los espermatozoides o las células musculares. Forman una red dinámica de tal manera que se pueden fusionar (dar lugar a un único compartimento mitocondrial) o fisionar ( dar lugar a varios compartimentos mitocondriales).
Según su estructura, cabe destacar que la presencia de membrana mitocondrial externa e interna delimita cuatro espacios, representados en la imagen. La mayor parte de las proteínas se localizan en la membrana mitocondrial interna y en la matriz, por lo tanto es en estas dos regiones donde se realizan la mayor parte de las funciones.
Membrana Mitocondrial Externa (MME) Tiene un grosor aproximada de 70A y una composición similar a la membrana plasmática, es decir, 50% proteínas y 50% lípidos. Una de sus características diferenciales es la presencia de porinas –canales acuosos permeables a moléculas de menos de 6000 Da. Las funciones principales de la MME son la síntesis de fosfolípidos y la desaturación y alargamiento de ácidos grasos.
Espacio intermembranoso (EI) Tiene un grosor de unos 60-100A y se sitúa entre las membranas mitocondriales interna y externa. Su composición es similar a la del citosol y la pueden atravesar moléculas de menos de 6000Da. Existen zonas donde no hay EI, ya que las dos membranas están en contacto. Dispersas en la matriz se encuentra una gran cantidad de enzimas, entre las cuales destaca la enzima adenilquinasa, que transforma AMP en ADP.
En las crestas mitocondriales hay proteínas que fosforilan ADP y lo convierten en ATP, fuente de energía. El problema es que mientras que en la MME hay porinas que permiten el paso de AMP, en las crestas solo hay permeasas (ADP/ATPtraslocasa) que permiten la entrada contra gradiente de ADP mientras bombean ATP a favor de gradiente (transporte activo secundario). Por eso mismo es necesaria la presencia de un enzima en el espacio intermembranal que fosforile AMP a ADP (adenilquinasa) , para que el ADP pueda atravesar la membrana mitocondrial interna mediante las permeasas y pueda dar lugar a la síntesis de ATP.
2 Biologia celular Membrana Mitocondrial Interna (MMI) Tiene un grosor de unos 60 A y esta plegada formando crestas mitocondriales para aumentar la superficie celular. Su composición es de 80% proteínas y 20% lípidos. Entre los lípidos destaca la cardiolipina, un fosfolípido de cuatro colas de acidos grasos que hace que la MMI sea altamente impermeable, lo cual obliga a la mayoría de sustancias a entrar mediante proteínas transportadoras. En lo referente a proteínas, destacan los enzimas de reacciones oxidativas, de síntesis de ATP y proteínas de transporte.
Matriz mitocondrial (MM) Contiene un elevado número de proteínas que intervienen en procesos como También contiene DNA mitocondrial (diversas copias), ribosomas, tRNA y rRNA para la síntesis de proteínas.
Genoma Mitocondrial El genoma mitocondrial es pequeño y está compuesto por DNA circular. Se localiza en la matriz mitocondrial y tiene diversas copias. En mamíferos humanos, el DNA no tiene intrones, es por ello por lo que solo representa un 1% del material genético total de la celula. En mamífero codifica para pocas cosas, concretamente, 2 rRNA precursores de ribosomas mitocondriales, 22 tRNA y 13 subunidades proteicas (no son proteínas completas). El resto de proteínas mitocondriales están codificadas por DNA nuclear. Para formar una proteína funcional, las subunidades proteicas codificadas por DNA nuclear se sintetizan en el citosol y se transfieren a las mitocondrias, donde se ensamblan con las subunidades codificadas por DNA mitocondrial y se digomerizan para formar complejos funcionales.
El código genético mitocondrial es diferente del universal ya que los tripletes codifican aminoácidos diferentes de los que codificarían el mismo triplete dentro del DNA nuclear. Tienen una herencia citoplasmática y materna porque en el momento de formación del embrión, la celula hereda las mitocondrias del citoplasma del oocito.
Biogénesis: formación de mitocondrias.
Anteriormente se creía que las mitocondrias se dividían por fisión binaria, al igual que las bacterias.
Posteriormente se ha visto que las mitocondrias se dividen durante la replicación de la celula para que las dos células hijas tengan un número similar de mitocondrias al de la celula madre. Este proceso se da durante la interfase y consta de dos etapas: 1) Crecimiento de la masa mitocondrial: implica la replicación del DNA mitocondrial, la síntesis de proteínas propias, la importación de proteínas del citosol (un 95% de proteínas) y la importación de lípidos, mayoritariamente del REL.
2) División.
3 Biologia celular Importación de proteínas La síntesis de proteínas ribosomales tiene lugar completamente en el citosol y una vez se ha traducido completamente se traslada a las mitocondrias. Es decir, se trata de un movimiento post-traducional. La secuencia señal mitocondrial tiene diversos variantes, pero la más conocida es la que incide que la proteína mitocondrial tiene que llegar a la matriz. Se trata de una secuencia señal en forma de hélice antipática que se sitúa en el extremo N-terminal. Los aminoácidos que la forman se repliegan en forma de hélice en donde se diferencian dos zonas:  Zona de aminoácidos hidrofóbicos que quedan en la misma sección de la hélice y actúan de señal.
 Zona de aminoácidos hidrofílicos.
La cadena se observa por aqui, por lo que al realizar un dibujo en el mismo plano todos los aminoácidos se encuentran juntos en una misma banda, pero que corresponde a diferentes bucles.
Podemos observar como este fenómeno crea una carga positiva, que se verá atraída por la matriz mitocondrial (negativa). Además de la secuencia señal necesitamos receptores específicos en la membrana mitocondrial que reconozcan las secuencias; así como canales de translocación y chaperonas Hsc70 citosólicas que mantengan la proteína desplegada para poder ser introducida en la mitocondria. No se conoce con exactitud que mecanismo transporta la proteína hasta los receptores de membrana mitocondrial, aunque se cree que pueden ser las chaperonas Hsc70, que transportan las proteínas hasta la membrana mitocondrial y vuelven al citosol.
En las mitocondrias tenemos cuatro espacios (MME, EI, MMI y matriz), por lo tanto existen diferentes mecanismos y rutas para permitir que la proteína entre en la mitocondria y se coloque en el lugar correspondiente. Disponemos de los siguientes canales de translocación:  Membrana mitocondrial externa: TOM y SAM o  SAM: canal de translocación específico transmembranales con configuración de lámina-β.
para proteínas mitocondriales Membrana mitocondrial interna: TIM 23, TIM 22 y OXA o TIM 23: canal de translocación específico para proteínas mitocondriales transmembranales de multipaso. Al igual que TIM 22, solo se activan con gradiente eléctrico, el cual se produce gracias al movimiento de electrones desde la matriz al espacio intermembranal durante la respiración.
4 Biologia celular o OXA: canal de translocación específico para proteínas ribosomales.
Esto implica que tienen que existir diferentes secuencias señales que codifiquen las posible rutas. Se sabe que todas las proteínas entran en la mitocondria por el canal de translocación TOM. Existen además chaperonas HSC70 dentro de la matriz mitocondrial que “tiran” por la proteína hacia adentro. Estas chaperonas son diferentes a las mencionadas anteriormente, no salen nunca de la mitocondria.
Proteínas destinadas a la Matriz mitocondrial.
Se trata de proteínas con una secuencia señal especifica que indica que deben dirigirse a la matriz mitocondrial. Para ello deberán atravesar primero la MME a través del TOM y después la MMI a través del TIM 23, donde una chaperona Hsc70 le ayudara a entrar. Una vez esto ocurre la secuencia señal es eliminada.
Proteínas destinadas a la Membrana Mitocondrial Interna 1) Vía A: una proteína con secuencia señal de matriz y una secuencia hidrofóbica que para la translocación comienza a introducirse en la matriz. Para ello debe introducirse primero en la mitocondria a través de TOM (es por ello que también tiene que tener la secuencia apropiada para ser reconocida por dicha proteína) y seguidamente por TIM 27, con la ayuda de una chaperona. Una vez llegue la secuencia hidrofóbica se parara la translocación y la proteína quedara anclada, eliminándose la secuencia señal.
2) Vía B: una proteína con secuencia señal matriz y otra para que pueda ser reconocida por OXA entra en la matriz totalmente a través de TOM y TIM 23, con lo que la secuencia señal de matriz se elimina. Puesto que tiene el segmento OXA, es reconocida por dicha proteína y se introduce nuevamente en la membrana. Esto le permite unirse a subunidades ribosómicas codificadas por DNA mitocondrial o ser modificada.
3) Vía C: solo para proteinas multipaso, las cuales no tienen señal. Un receptor interactua con TOM y con la proteína y unas chaperonas en el espacio intermembranal la conducen hasta TIM 22.
5 Biologia celular Proteínas destinadas al espacio intermembranal.
1) Vía A: una proteína con una secuencia señal de matriz se transloca primero por TOM y por TIM, y cuando llega a una secuencia hidrofóbica se para la translocación, quedando anclada en la membrana mitocondrial interna. Una proteasa reconoce y actúa sobre esta secuencia, cortándola y dejando la proteína libre en el espacio intermembranoso. Antes de plegarse puede asociarse a un grupo hemo, hierro… La asociación con el grupo hemo le permite transportar electrones.
2) Vía B: la proteína posee una secuencia señal que la lleva directa al espacio intermembranal.
Proteínas destinadas a la Membrana Mitocondrial Externa 1) Proteína Lamina-β: una proteína entra al espacio intermembranal mediante TOM y unas chaperonas las transportan a SAM. Una vez esto ocurre, la proteína puede plegarse como una lámina, ya que SAM sí es capaz de movilizar este tipo de configuraciones. Las proteínas SAM la insertan en la membrana, y la nueva proteína ayudara a formar purinas.
2) Proteína α-hélice: una secuencia hidrofóbica para la translocación y se incluye directamente en la membrana, sin necesidad de SAM, ya que esta solo trabaja con Lamina-β.
Funciones de la mitocondria.
Mediante la oxidación de la materia orgánica que se realiza en estos orgánulos conseguimos generar CO2 y poder reductor (NADH y FADH2), a la vez que generamos un gradiente de protones que será útil para formar ATP, producir calor, transportar sustancias a través de canales regulados por voltaje… Oxidaciones Mitocondriales y Síntesis de ATP Obtención de acetil CoA El proceso principal de la oxidación de azucares es la secuencia de reacciones conocida como glucolisis, la cual tiene lugar en el citosol. Una molécula de glucosa es transformada en dos de piruvato y dos ATP que aportan energía necesaria en los primeros pasos. Como no participa el O2, los electrones son recogidos por el NAD+, produciéndose poder NADH con poder reductor (permitirá que otras moléculas se reduzcan mientras él se oxida). Por cada glucosa se forman dos moléculas de NADH.
El piruvato producido por la glucolisis se transporta al interior de la mitocondria y es descarboxilado por un complejo gigante de tres enzimas denominado complejo piruvato deshidrogenasa. Los productos resultantes de tal proceso son una molécula de CO, una de NADH y una de acetil CoA por cada piruvato.
6 Biologia celular Podemos conseguir acetil CoA a partir de ácidos grasos. Los ácidos grasos se obtienen a partir de un lípido, el cual da lugar a una molécula de glicerina y tres ácidos grasos (en el caso de los triacilgliceridos). Cada acido da lugar a un acil graso CoA, y este entra en la mitocondria en un ciclo de reacciones denominado oxidación. Por cada vuelta se eliminan dos átomos de carbono de su extremo carboxilo y se genera una molécula de acetil CoA, así como un NADH u un FADH2 Degradación de Acetil CoA: Ciclo de Krebs.
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial y su función es degradar el Acetil CoA proveniente tanto de lípidos como de glúcidos. Los productos finales son CO2 y electrones ricos en energía en forma de NADH y FADH2, así como un GTP. El CO2 es liberado como producto de desecho, mientras que los electrones ricos en energía del NADH se transportan a través de una cadena de transporte de electrones unida a la membrana, y finalmente se combinan con el O2 produciendo H2O.
Cadena respiratoria: Transporte de electrones.
El proceso de transporte de electrones empieza cuando el ion hidruro se libera del NADH, generándose NAD+, y se transforma en un protón y dos electrones.
H- H+ + 2e- 7 Biologia celular Estos electrones son transferidos a una serie de complejos multiproteicos situados en la membrana mitocondrial interna. Cada complejo tiene mayor afinidad por los electrones que su predecesor, de forma que los electrones pasan de forma secuencial de un complejo al otro hasta que son transferidos al oxígeno.
Estos complejos multiproteicos pueden ser fijos y móviles. Son los elementos móviles como la Ubiquinona y el citocromo C los encargados de transportar electrones de un complejo fijo a otro. La ubiquinona tiene una cola lipídica que provoca que este insertada en la membrana y puede además captar H+, mientras que el citocromo C esta libre en el espacio intermembrana y solo puede transportar un electrón a la vez. Son de menor tamaño que los complejos fijos, por eso se pueden mover. Los complejos fijos tienen un grupo prostético no proteico, responsable del transporte de electrones. Existen diferentes grupos prostéticos, que dan nombre al tipo de proteína en el que se encuentran.
Así, la flavina da lugar a las flavoproteínas, capaces de movilizar 2e y 2H. Los citocromos tienen un grupo hemo cuyo átomo de hierro cambia cada vez que acepta un electrón y transportan un electrón. El centro ferrosulfurado da lugar a las proteínas Hierro-Azufre y al igual que los citocromos, solo pueden trabajar con un electrón a la vez.
Cadena de NADH 1) NADH transporta los electrones hasta el primer complejo de la serie, el NADH deshidrogenasa, el cual acepta electrones y los transfiere a través de una flavina y diferentes centros ferrosulfurados (grupos prostéticos) hasta la ubiquinona. Los H+ que se liberan al traspasar los electrones quedan libres en la matriz. El propio complejo bombea 4 de estos protones hacia el espacio intermembrana.
2) La ubiquinona capta dos H+ de la matriz y dos e- del complejo 1, reduciéndose y moviéndose por la membrana hasta llegar al complejo 3 (un proton por cada electron que transporta).
3) El complejo citocromo b-c1 acepta los electrones de la ubiquinona y los transfiere al citocromo c mediante los grupos prostéticos hemo y Hierro-Azufre. Los dos protones que había aceptado la ubiquinona son expulsados al espacio intermembranal. Además, el citocromo b-c bombea dos protones más desde la matriz hacia el espacio intermembranal.
4) El citocromo- C recoge los electrones (un electrón por citocromo) y los transporta al complejo 4.
8 Biologia celular 5) El complejo citocromo oxidasa acepta electrones de uno en uno y los transfiere, de cuatro en cuatro al oxígeno para producir agua. Dado que el oxígeno tiene una gran afinidad por los electrones, libera una gran cantidad de energía libre cuando es reducido. Bombea dos protones hacia el exterior.
Cadena de FADH El FADH transfiere sus electrones al complejo 2, llamado Succinato reductasa. Puesto que este no bombea protones al exterior, el rendimiento energético del FADH no es tan alto. Se repiten los pasos 2, 3,4 y 5 del transporte de NADH. Las porinas permiten el paso de H para regular el pH. Se genera un gradiente electroquímico por la diferencia de carga entre las membranas, lo cual permite generar ATP, transportar moléculas, producir calor… Síntesis de ATP El gradiente electroquímico de protones impulsa la síntesis de ATP gracias a una enzima unida a la membrana denominada ATP sintasa. Se trata de una proteína de gran tamaño formada por un anillos de 6 subunidades proyectadas hacia la cara de la matiz de la membrana mitocondrial interna. Un largo brazo mantiene su posición uniéndola a unas proteínas transmembrana. En las mitocondrias el centro catalítico se sitúa en la membrana interna, en los cloroplastos en la membrana tilacoidal y en las bacterias en el citosol.
Cuando los protones pasan a través del estrecho canal estático situado en F0 y se deslizan a través de la parte rotacional, provocan el giro de esta y por consiguiente el giro de la región ¥. El movimiento de este “palo” causa un cambio conformacional en las regiones β de la cabeza, las cuales tendrán mayor o menor afinidad por el soluto dependiendo de la configuración que adopten. Las subunidades α regulan la intensidad y sirven como lugar de unión para el ADP y el ATP.
Los cambios conformacionales que sufre son los siguientes:  O : open, poca afinidad, ADP y P se unen débilmente.
 L : loose, se unen fuerte, pero sin llegar a producirse ATP-  T : tight, se unen fuertemente y se forma ATP De este modo a medida que el complejo vaya rotando se irán formando ATPs, 3 por cada vuelta completa que consiga dar. Ademas, la ATP sintasa puede trabajar en sentido opuesto, consumiendo ATP y bombeando protones 9 Biologia celular Transporte activo a través de la membrana mitocondrial.
El transporte a través de las distintas membranas mitocondriales viene dado por las permeasas en un transporte activo secundario. Una permeasa antiportadora transloca ATP a favor mientras introduce ADP en contra de gradiente. Es regulada por voltaje. Tanto el piruvato como el fosfato son introducidos en contra de gradiente por proteínas diferentes pero ambas reguladas por pH, por lo que mientras estos compuestos entran en contra, protones salen a su vez a favor de gradiente. Son por lo tanto, proteínas simportadoras.
Lanzadora Aspartato-Malato (NAD+) Como un resultado de la glicólisis, 2 moléculas de NADH son sintetizadas en el citoplasma por cada molécula de glucosa; sin embargo, el NADH producido en citosol no puede cruzar la membrana interna de la mitocondria para alcanzar a la cadena de transporte de electrones en la matriz mitocondrial. Es por ello que el NADH tiene que transferir su poder reductor, y lo hará de la siguiente manera: 1) El NADH transfiere su protón al oxaloacetato, situado en el citosol, para formar malato, el cual transportara el protón. La reacción esta catalizada por una malato deshidrogenasa.
2) Puesto que existe una permeasa adecuada para el malato, puede entrar en la mitocondria, y una vez dentro transferir el protón a un nuevo NAD+ que no sale de la mitocondria. Dicho proceso se produce gracias al malato deshidrogenasa (diferente a la citosólica), la cual forma paralelamente oxaloacetato. El NADH formado se encuentra entonces en la matriz, donde puede dar sus protones y que tenga lugar el transporte de electrones.
3) En la matriz, una transaminasa convierte el oxaloacetato en Aspartato. Una segunda permeasa transfiere el Aspartato hacia el citosol.
4) En el citosol, una transaminasa convierte el Aspartato nuevamente en oxaloacetato para que pueda volver a tener lugar el transporte.
Nótese que a pesar de ser una permeasa de transporte activo, el transporte no consume energía, debido a que simultáneamente se produce el antiporte de glutamato y αcetoglutarato.
10 Biologia celular Producción de calor Las mitocondrias especializadas en la producción de calor se encuentran principalmente en el tejido adiposo, en lo conocido como la grasa parda, la cual abunda en recién nacidos y en animales adaptados al frio.
La producción de calor se lleva a cabo gracias a una proteína transmembranal mitocondrial llamada Termogenina. Dicha proteína funciona como un canal de protones que desacopla la cadena de transporte de electrones de la cadena de síntesis de ATP para que estos pasen por un canal que genera calor. También existen compuestos químicos desacoplantes como el dinitrofenol, que realizan la misma función. Se usa especialmente en dietas, ya que asi todo el alimento se consume en forma de calor. Es un compuesto peligroso porque puede provocar que no se sintetice ATP, compuesto vital para la vida humana.
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