MITOCONDRIS (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Biologia Cel·lular
Año del apunte 2013
Páginas 8
Fecha de subida 18/10/2014
Descargas 25
Subido por

Descripción

Professora: Laura Tusell

Vista previa del texto

MITOCONDRIS Tenen una mida de ½ µm i són molt nombrosos. De fet, trobem diversos mitocondris per cèl·lula, normalment lliures i dispersos al citosol. Només estan fixats en cèl·lules especialitzades, com ara: - Cèl·lules esquelètiques: els mitocondris es troben fixats al costat dels sarcòmers.
Cèl·lules amb flagels: mitocondris fixats al costat dels flagels.
En els dos casos, els mitocondris són una font d’ATP, molt necessària en aquella àrea on es troben.
En l’interior tenen crestes mitocondrials que no sempre es troben en posició transversal, sinó que també poden ser longitudinals, paral·leles o tubulars.
Els mitocondris per tant no són fixes, i tampoc es troben independents els uns dels altres al citosol: es fusionen formant una xarxa mitocondrial. Aquesta xarxa, alhora, es pot fisionar i donar a lloc a mitocondris per separat. A més és dinàmica, amb la qual cosa es pot anar movent pel citosol.
La xarxa normalment es fisiona quan la cèl·lula s’ha de dividir, just abans de la mitosi, per poder repartir equitativament el nombre d’orgànuls entre les cèl·lules filles.
ESTRUCTURA Els mitocondris tenen dues membranes, que divideixen l’espai en quatre compartiments.
Les funcions de cada un venen donades bàsicament per les proteïnes que tenen. Les més especifiques dels mitocondris es troben sobretot a la membrana interna i a la matriu.
- Membrana mitocondrial externa: té una composició semblant a la de la membrana plasmàtica de la cèl·lula, amb un 50% de lípids i un altre 50% de proteïnes. Conté porines permeables a molècules de menys de 6000 Da.
Sintetitzen fosfolípids, com ara la cardiolipina (lípid molt important), i també els modifiquen (dessaturació i elongació d’AG).
- Espai intermembranós: és igual que el citosol però amb molècules de menys de 6000 Da. Conté molts enzims, entre ells l’adenilquinasa, que catalitza la reacció que uneix AMP + Pi en ADP. Aquest ADP després pot entrar a la matriu gràcies a l’ATP/ADP-translocasa, que treu a l’EI ATP a favor de gradient i entra ADP en contra (és un transport actiu secundari). Hi ha zones on la membrana externa i interna es toquen i no trobem EI, són punts pels quals entren proteïnes directament del citosol a la matriu.
- Membrana mitocondrial interna: forma les crestes per augmentar la superfície, ja que és on es troben tots els enzims. Per exemple: ATP-sintetases, ATP/ADPtranslocases, enzims de la cadena d’electrons... Per tant és una membrana formada per un 80% de proteïnes i un 20% de lípids. Entre aquests troben la cardiolipina, que és un fosfolípid doble que torna la me membrana molt impermeable a ions.
- Matriu mitocondrial: conté molts enzims implicats en l’oxidació del piruvat i AG, cicle de krebs, i en la replicació, transcripció i traducció del DNA mitocondrial, que també es troba a la matriu. Per això també trobem ribosomes, ARNm i ARNt.
GENOMA MITOCONDRIAL És un ADN circular i molt petit en mamífers (un 1% del total de l’ADN de la cèl·lula), sobretot en humans. Es troba gairebé tot empaquetat, sense introns. És a dir, que té pocs gens que s’expressin. Tot i això, sí que se n’expressen alguns: - 2 ARNr.
22 ARNt.
13 subunitats proteiques. Aquestes formen part de complexos enzimàtics de la cadena de transport d’electrons o de l’ATP-sintetasa.
Durant l’evolució, els gens del mitocondri han anat migrant al nucli, de manera que han quedat molt pocs al mitocondri. La majoria de proteïnes mitocondrials són sintetitzades al citosol i després importades a l’interior del mitocondri, on s’uneixen amb les subunitats sintetitzades a la seva matriu.
El codi genètic que tenen els mitocondris per traduir el seu ARNm a proteïnes és diferent del codi genètic universal (el que serveix per l’ADN nuclear), i a més canvia en cada espècie.
Els mitocondris tenen una herència citoplasmàtica i materna, perquè s’hereten directament del citoplasma de l’oòcit.
Abans de la divisió cel·lular, la massa mitocondrial ha d’augmentar perquè les cèl·lules filles tinguin la mateixa massa que la mare. Per això hi ha d’haver una biogènesi de mitocondris. Aquests creixen i es divideixen, per la qual cosa han de: - Replicar el seu ADN mitocondrial.
Sintetitzar proteïnes pròpies.
Exportar proteïnes sintetitzades al citosol (aproximadament un 95%).
Exportar lípids, sobretot del REL.
IMPORTACIÓ DE PROTEÏNES ALS MITOCONDRIS S’importen proteïnes sintetitzades en ribosomes lliures al citosol. Es fa una translocació per uns canals posttraduccional. Per identificar les proteïnes que s’han d’importar, aquestes porten una seqüència senyal a l’extrem Nter. Aquesta SS que es troba entre els aminoàcids del 1 al 18 és una configuració determinada: una hèlix α amb una banda amb càrrega positiva.
Sobretot es coneix la SS per internalitzar les proteïnes de la matriu mitocondrial.
Exemple: (Dibuix hèlix alfa).
També necessitem receptors a la MME i canals de translocació en les dues membranes.
Com que les proteïnes passen desplegades pels canals, també necessitem unes xaperones citosòliques que mantenen les proteïnes desplegades.
No està clar quin mecanisme porta les proteïnes del citosol als receptors de la membrana del mitocondri (podrien ser les mateixes xaperones?).
Canals de translocació: N’hi ha molts que reconeixen diferents SS. Són específics segons el destí en el mitocondri que té una certa proteïna. Es crearan diferents combinacions per crear diferents rutes que ensamblin les proteïnes amb les subunitats sintetitzades al mitocondri i al final acabin al lloc correcte (MME, EI, MMI o matriu).
Hi ha 5 canals de translocació: 2 a la MME: 1. Complex TOM: s’associa amb diferents receptors i es general per entrar totes les proteïnes.
2. Complex SAM: entra proteïnes en conformació làmina β a la MME.
3 a la MMI: 3. Tim 23 i Tim 22: quan hi ha diferències de gradient entre compartiments del mitocondri s’obren.
4. Oxa.
Proteïnes destinades a la matriu Les xaperones que despleguen les proteïnes perquè puguin passar pels canals de translocació són les Hsc70. A la membrana externa, TOM interactua amb uns receptors, i aquests a la vegada interaccionen amb la SS que marca que la proteïna és de la matriu.
Així la proteïna passa pel canal.
Normalment els canals de translocació se situen en els punts de contacte entre les dues membranes, perquè així les proteïnes han de recórrer menys distància per l’EI.
A la membrana interna trobem Tim23 i Tim22 que s’activen quan hi ha un gradient electroquímic. Aquest gradient ve provocat pel moviment d’electrons de la cadena oxidativa. Les proteïnes tenen càrrega positiva i per tant hi ha una repulsió amb els protons que fa que es dirigeixin cap als canals de translocació de la MI. A part, a l’interior de la matriu trobem unes xaperones Hsp70 que, hidrolitzant ATP, tiben la proteïna cap a dins ajudant així a la translocació.
Un cop a dins, la SS s’elimina a causa de l’acció d’unes proteases i la proteïna es plega, sola o amb l’ajuda de xaperones o xaperonines.
Proteïnes destinades a la MMI Hi ha tres possibles vies: 1. Les proteïnes tenen la SS de la matriu i una altra SS hidrofòbica. La proteïna entra desplegada per TOM i comença a passar per Tim fins que arriba a la SS hidrofòbica, que atura la translocació i la proteïna surt per un canal lateral i s’insereix a la MMI. L’extrem Nter queda sempre dins la matriu, i el Cter depèn del nombre de SS hidrofòbiques.
2. Les proteïnes tenen la SS de la matriu i una segona SS que dirigeix la proteïna cap a Oxa. La proteïna entra de forma normal fins la matriu, on s’elimina la primera SS, i llavors la segona SS fa que la proteïna entri per Oxa, que obre un canal lateral i insereix les proteïnes a la MMI. Oxa és un canal que bàsicament només transporta subunitats proteiques sintetitzades al mateix mitocondri. Per això aquesta és una via que utilitzen proteïnes que s’han d’unir amb algunes d’aquestes subunitats.
3. La tercera via l’utilitzen només proteïnes multipàs. No tenen la SS de proteïnes de la matriu. Un altre receptor interactua amb TOM i les entra a l’EI. Allà, unes xaperones Tim9/10 reconeixen les proteïnes i les porten cap a Tim22, que les inserirà per una via lateral a la MMI.
Proteïnes destinades a l’EI.
Tenen dues possibles vies: 1. Tenen una SS per entrar a la matriu i una segona SS. Entren de forma normal a l’EI i comencen a translocar-se per Tim22 o Tim23. Però la segons SS bloqueja la translocació de manera que la proteïna queda inserida en la MMI. En la mateixa MMI, hi ha una proteasa que talla aquesta SS i la proteïna queda alliberada a l’EI. Després aquestes proteïnes es pleguen correctament i s’uneixen a grups prostètics (ex: grup hemo) per ser funcionals.
2. No tenen una SS per la matriu. En comptes tenen una SS que les dirigeix directament a l’EI. Això vol dir que TOM haurà d’interaccionar amb uns receptors diferents.
Proteïnes destinades a la MME Trobem dues rutes diferents segons l’estructura secundària de la proteïna: 1. Làmina beta: les proteïnes entren pe TOM, es queden a l’EI, i unes xaperones les guien al complex SAM, que les introdueix en forma de làmina beta a la MME.
Sobretot són proteïnes que funcionaran com a porines.
2. Hèlix alfa: les proteïnes tenen la SS de matriu, però una altra SS atura la translocació quan estan passant pe TOM, i s’insereixen a la MME per difusió en forma de hèlix alfa.
FUNCIONS MITOCONDRIALS El mitocondri duu a terme diverses funcions: oxidacions mitocondrials i síntesi d’ATP, transport a través de MMI (de proteïnes i transport actiu secundari gràcies al gradient electroquímic creat per les oxidacions), producció de calor, síntesi de precursors biosintètics, i altres funcions (els mitocondris tenen alguna relació amb l’apoptosi).
Oxidació de matèria orgànica Sobretot es produeix l’oxidació de carbohidrats i lípids, poques vegades és de proteïnes.
Els productes resultants són CO2 i poder reductor: NADH i FADH. Aquestes molècules són transportadors d’alta energia que transfereixen els electrons a la cadena de transport d’electrons de la MMI.
L’oxidació de glucosa es fa per la glucòlisi, fins a arribar al piruvat, i l’acció d’un enzim converteix aquest en Acetil-CoA. En els àcids grassos, que es troben a les cèl·lules adiposes emmagatzemats en molècules d’acilglicèrids, la molècula final també és l’Acetil-CoA, que s’obté amb la β-oxidació.
L’Acetil-CoA entra al cicle de krebs, del qual se n’obtenen el CO2 i el poder reductor.
Cadena respiratòria Els electrons donats pel poder reductor es van movent per diferents complexes proteics esdevenint electrons de menys energia, a la vegada que afavoreixen el pas de protons de la matriu a l’EI. Així s’origina el gradient electroquímic útil per sintetitzar ATP, transportar molècules a través de la MMI, importar proteïnes, produir calor... Finalment, els electrons es combinen amb H i O per donar lloc a molècules d’aigua (H2O).
Hi ha 4 complexes a la MMI que participen en la cadena respiratòria: - Complex I: complex NADH-deshidrogenasa.
Complex II: complex succinat deshidrogenasa.
Complex III: complex citocrom b-c.
Complex IV: complex citocrom oxidasa.
Aquests són complexes multi-proteics, fixes i transmembranals en la MMI. Però a la cadena també trobem elements mòbils: - Ubiquinona (o coenzim Q – CoQ): és un transportador d’electrons. Té una cua lipídica que li permet inserir-se a la membrana i difondre-hi.
Citocrom c: està disposat a l’EI, i duu a terme interaccions iòniques amb diferents components de la membrana.
A més, per arribar als complexes de la cadena i moure’s dins d’ells, els electrons utilitzen els grups prostètics. Aquests són grups no proteics que es troben associats amb proteïnes. Alguns exemples són: ferro, sofre, citocroms de coure, FMN... Cada complex de la cadena té associats uns grups prostètics diferents.
Passos de la cadena respiratòria: 1. El NADH cedeix 2 electrons als grups prostètics (FMN i FeS) del complex 1. Així queden a la matriu NAD+ i H+.
2. Els grups prostètics transporten els dos electrons per l’interior del complex 1 fent que passin quatre H+ de la matriu a l’EI.
3. Els grups prostètics cedeixen els dos electrons a la CoQ, que agafa dos H+ de la matriu i així es redueix a CoQH2.
4. La CoQH2 transporta els electrons al complex 3. Quan hi arriba, dóna els dos electrons als grups prostètics d’aquest complex (FeS i citocrom c1) i allibera els dos H+ a l’EI.
5. El transport dels dos electrons per dins el complex 3 gràcies als grups prostètics produeix el pas de 2 H+ de la matriu a l’EI.
6. Els grups prostètics cedeixen els electrons d’un en un al citocrom c (ja que aquest només els pot transportar d’un en un). El citocrom c porta els electrons al complex 4.
7. Els electrons són cedits als grups prostètics d’aquest complex (Cu). El transport d’electrons per l’interior produeix el pas de 2 H+ de la matriu a l’EI.
8. Finalment els grups prostètics donen els dos electrons a 2 H+ de la matriu, que juntament amb ½ d’O formen una molècula d’ H2O.
En total, es transporten 10 H+ de la matriu a l’EI. Però la cadena respiratòria és una mica diferent si els electrons d’elevada energia provenen del FADH en comptes del NADH: 1.
2.
3.
4.
El FADH cedeix dos electrons als grups prostètics del complex 2.
Els grups prostètics transporten els electrons fins la CoQ.
La CoQ agafa dos H+ de la matriu i els dos electrons i es redueix a CoQH2.
A partir d’aquest punt el procés és el mateix que el d’abans.
La diferència rau en el fet que el complex 2 no és capaç de transportar protons de la matriu a l’EI, i que per tant, els electrons provinents de FADH produiran un gradient més feble (només tranporten 6 H+ i conseqüentment menys síntesi d’ATP. Tot i que la concentració de H+ augmenti a l’EI, el pH es manté a 7, perquè les porines de la MME permeten el pas de protons de manera que aquests no s’acumulin i no provoquin una variació del pH.
La diferència de càrrega entre les dues bandes de la MMI crea el gradient electroquímic, un potencial de membrana que com ja hem dit, és útil per: - Sintetitzar ATP.
Transportar molècules gràcies al potencial de membrana (importació de proteïnes i piruvat).
- Producció de calor (només en casos molt específics).
Transport actiu secundari a través de la MMI.
Els diferents components de la cadena respiratòria no estan ordenats a la membrana.
Justament per aquesta raó trobem els elements mòbils que permeten el transport d’un complex a un altre.
Síntesi d’ATP Es dóna gràcies a les ATP-sintetases. Aquestes es troben només en les MMI dels mitocondris, als cloroplasts i als bacteris: - Mitocondri: es troben a la MMI, amb la subunitat catalítica capaç de sintetitzar ATP mirant a la matriu.
Cloroplast: es troben a la membrana tilacoidal, amb la subunitat catalítica mirant a l’estroma.
Bacteris: es troben a la membrana plasmàtica, amb la subunitat catalítica mirant al citosol.
Les ATP-sintetases tenen una zona transmembranals i una altra mirant a la matriu, estroma o citosol. A més, tenen una zona estàtica i una altra que es mou.
Els protons entren a les subunitats c i es mouen provocant la rotació de la subunitat γ. A la subunitat catalítica trobem 6 subunitats: 3 subunitats α i 3 més β. El moviment de rotació de la subunitat γ provoca canvis conformacionals en les subunitats β. Les diferents conformacions que poden prendre fan que tinguin menys o mes afinitat pels substractes (ADP i Pi).
En un mateix moment, totes les subunitats β es troben en conformacions diferents. Aquestes només poden ser 3: - Conformació O: subunitat oberta i amb afinitat pels substractes.
Conformació L: la subunitat apreta amb força els substractes.
Conformació T: la subunitat té tanta afinitat que apreta molt fort els substractes i provoca una síntesi espontània d’ATP.
Per cada protó que entra a les subunitats c, la subunitat γ i es produeix un canvi conformacional en cada subunitat β.
Les subunitats α regulen la velocitat a la que ha de funcionar l’ATP-sintetasa.
Un cop format l’ATP a la matriu mitocondrial, aquest utilitza l’ADP/ATP-translocasa. Es dóna un transport actiu secundari, ja que mentre l’ATP surt a l’EI, entra ADP a la matriu.
El Pi, també necessari perquè les ATP-sintetases formin ATP, entra com les proteïnes gràcies a la diferència de pH i gradient electroquímic creat per la cadena respiratòria.
Excepcions en la glucòlisi L’oxidació de la glucosa es produeix al citosol, els productes de la qual són dues molècules de piruvat. A més també es produeix ATP i dues molècules de NADH. EL piruvat pot entrar a la matriu mitocondrial, però els NADH no. Per això el poder reductor dóna els seus electrons a altre molècules que sí poden entrar, per tal de que els electrons arribin a la cadena respiratòria i es pugui produir ATP.
Aquestes molècules són el malat i l’aspartat. D’aquesta manera el poder reductor arriba a la matriu mitocondrial: Producció de calor És una funció que només es dóna en els nounats i en espècies adaptades al fred.
Aquests tenen el que s’anomena “grasa parda” o teixit adipós bru, en el qual les seves cèl·lules tenen molts mitocondris especialitzats en la producció de calor.
En aquests mitocondris, a la MMI hi trobem la proteïna transmembranals termogenina, que representa un 15% del total de proteïnes de la MMI. La termogenina desacopla l’ATP-sintetasa de la cadena oxidativa d’electrons, de manera que els H+ transportats per aquesta a l’EI, en comptes de passar per les ATP-sintetases creant ATP, passen per la termogenina, que també es un transportador de protons. L’energia que s’obté de transportar H+ a favor del gradient electroquímic es transforma en calor.
Hi ha una altra molècula amb la mateixa funció, per aquesta és no natural: el dinitrofenol.
També desacopla l’ATP-sintetasa de la cadena respiratòria, de manera que al cos té una manca constant d’ATP, i contínuament oxida glúcids i àcids grassos. Per això es una molècula que s’usa per aprimar-se.
...