Tema 10 (2012)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Biología Celular
Año del apunte 2012
Páginas 10
Fecha de subida 21/02/2015
Descargas 6
Subido por

Vista previa del texto

Tema 10: Mitocondris TEMA 10: MITOCONDRIS Els mitocondris es troben a totes les cèl·lules eucariotes i tenen una mida d’ aproximadament una o una micra i mitja, poden arribar a deu micres de llargada. Estan en nombre variable A les cèl·lules poden tenir diferents morfologies pel que fa a les crestes: poden ser tubulars, longitudinals rectes, transversals rectes o bé curvilínies paral·leles.
Els mitocondris són mòbils en el sentit que es poden desplaçar per la cèl·lula a través dels microtúbuls als llocs on necessiten aport d’energia en un temps determinat. En els llocs on necessiten aport energètic constant també s’hi poden moure (espermatozoide, musculatura esquelètica …). Fins ara es pensava que els mitocondris eren entitats discretes (individuals), avui en dia això no és així, ara es parla d’una xarxa mitocondrial dinàmica. Això s’ha vist utilitzant les proteïnes fluorescents, la xarxa és dinàmica, pot fusionar-se o fissionar-se (els mitocondris es mouen, es fissionen i es fusionen entre ells).
Això es va començar a veure en llevats (procariotes), però també s’observa en cèl·lules de mamífer (eucariotes).
ESTRUCTURA Tenen dues membranes: una membrana mitocondrial externa i una membrana mitocondrial interna. Això fa que tinguin també espai intermembranós i matriu mitocondrial. Cadascun dels compartiments té diferent composició: si observem la distribució de les proteïnes al mitocondri, veiem que bàsicament es concentren a la matriu (67%) i la membrana mitocondrial interna (21%) (podríem pensar que són els que tenen més funcions).
Membrana mitocondrial externa: Té propietats semblants a la membrana plasmàtica (50% proteïnes, 50% lípids), té unes proteïnes (porines) que també les tenen els bacteris i els plastidis. Aquestes proteïnes formen canals aquosos i permeten travessar la membrana a molècules menors a 6000 daltons, hi ha una lliure circulació del citosol a l’espai. Hi ha una síntesi de fosfolípids però la majoria venen del REL. També es duu a terme la dessaturació i elongació dels àcids grassos.
Espai intermembranós: Té una composició semblant a la del citosol en molècules menors de 6000 daltons. En aquest espai hi ha molts enzims com la adenilquinasa (transforma l’AMP + Pi en ADP) això és important perquè per sintetitzar ATP (que es forma a la matriu) es necessita ADP + Pi. La membrana mitocondrial interna és molt impermeable, no deixa passar gaires molècules, l’AMP no té cap sistema de transport per entrar-hi però a la membrana interna hi ha una proteïna que entra ADP alhora que treu ATP, això ho fa un enzim que es diu ATPtranslocasa (és un transport actiu secundari). L’ADP entra en contra de gradient i l’ATP en surt a favor.
Hi ha llocs on aquest espai gairebé desapareix, són els llocs anomenats punts de contacte (les dues membranes són molt properes) i és son es produeix la importació de proteïnes cap a la matriu.
1 Tema 10: Mitocondris Membrana mitocondrial interna (MMI): Està replegada formant crestes per tal d’augmentar la superfície. Les crestes poden ser de diferents tipus. La MMI té un alt percentatge de proteïnes perquè en aquesta membrana hi ha molts enzims necessaris per transportar protons, l’ATP sintetasa es situa a la membrana amb la subunitat catalítica orientada a la matriu, i també hi trobem les proteïnes de transport. Hi ha un 80% de proteïnes i un 20% de lípids. Té un lípid especial que, la cardiolipina (fosfolípid doble) que fa que la membrana interna sigui impermeable a la majoria dels ions i pot estabilitzar diferents components de la cadena transportadora d’electrons.
Les proteïnes que actuen com enzims poden ser les que participen en les reaccions oxidatives (cadena de transport d’electrons), de la síntesi d’ATP, o bé proteïnes de transport.
Matriu mitocondrial: Està plena d’enzims, Acetil-CoA, enzims del cicle de Krebs… Tots aquests participen es reaccions com l’oxidació del piruvat, dels àcids grassos, cicle de Krebs, replicació, transcripció, traducció...És on s’hi troba el DNA mitocondrial, que és circular i se’n fan copies, traduccions, transcripcions…per tant necessitarem els enzims implicats en això, també hi ha ribosomes, rRNA i tRNA.
GENOMA MITOCONDRIAL És una cadena de DNA circular en vàries còpies a la matriu, normalment és petit. En cas dels mamífers el genoma no té introns i tampoc hi ha histones. Les plantes tenen genomes mitocondrials mes grans i sí que hi pot haver introns. El que codifica el DNA mitocondrial són 13 subunitats proteiques, per exemple de la NADH deshidrogenasa.
De fet, la major part de proteïnes del mitocondri estan codificades en el nucli. A més d’això tenim els 2 RNA ribosomics i 22 RNA de transferència.
Hi ha un codi genètic diferent a l’universal. El genoma mitocondrial té herència citoplasmàtica i materna ( en la fusió entre l’oòcit i l’espermatozoide els mitocondris que s’hereten son els que porta l’oòcit en el citoplasma).
BIOGÈNESI (formació dels mitocondris) La gènesi d’un nou mitocondri es fa per creixement i posterior divisió dels orgànuls ja existents, es dona durant la interfase: -Es replica el DNA mitocondrial (independent a la replicació del nucli).
-Síntesi de proteïnes pròpies del mitocondri (són subunitats).
-Importació de proteïnes del citosol (aprox. 95 % de les proteïnes del mitocondri).
-Importació de lípids (ho poden fer proteïnes que embolcallen i transporten el lípid o bé dues membranes s’uneixen temporalment, s’importen del REL).
2 Tema 10: Mitocondris IMPORTACIÓ DE PROTEÏNES: Les proteïnes que s’han d’importar, es sintetitzen totalment al citosol i llavors es transporten posttraduccionalment. La síntesi d’aquestes proteïnes es dóna al citosol mitjançant els ribosomes i es transloca per uns canals posttraduccionalment. Aquestes proteïnes han d’estar desplegades per entrar-hi, per tant necessitem l’acció de les xaperones que interaccionen amb les parts hidrofòbiques fins que les proteïnes desplegades arriben al canal (no se sap com arriben allà, s’especula que són les xaperones qui reconeixen el canal).
Es necessita també una seqüència senyal, aquesta seqüència senyal mitocondrial es la seqüència (20-50 aà) que dirigeix la proteïna a la matriu, està a l’extrem N-terminal i forma una hèlix amfipatica (aà hidrofòbics i hidrofilics) en solució, quan la seqüència senyal està en medi aquós es veu una hèlix i si es fa una roda de projecció es veu que es amfipàtica, això és el que fa que la proteïna s’importi a la matriu. No totes les proteïnes tenen aquesta seqüència.
Quan s’importa, les proteïnes s’han de distribuir als diferents compartiments. A la membrana mitocondrial hi ha uns canals de translocació i uns receptors (en membrana interna i externa). La major part de les proteïnes interaccionen amb el complex TOM (a la membrana mitocondrial externa i encarat al citosol) aquest complex té diferents tipus de receptors que reconeixeran diferents seqüències senyal (la de la matriu i altres). Després, la major part de les proteïnes se’n van al complex TIM 23 (que està a la membrana interna però té inserit un domini a la membrana mitocondrial externa i les ajunta) i des d’aquí el que fan és entrar a la matriu mitocondrial. Hi ha algunes proteïnes que entren per TOM, passen per TIM 23, entren a la matriu, i s’insereixen a la membrana pel complex OXA, altres que s’inserten per TIM 22, i les que s’insereixen pel TIM 23.
DESTINACIÓ DE LES PROTEÏNES A LA MATRIU La proteïna que s’està sintetitzant al citosol interacciona amb les proteïnes xaperones citosòliques i la seqüència senyal de la matriu forma l’hèlix que interactua amb el seu receptor situat a la membrana, i s’introdueix pel canal en els punts de contacte. Un cop la proteïna ha començat a entrar al canal, entra ràpidament en el següent canal, que es troba a la membrana interna. Allà es tallàra la seqüència senyal, algunes proteïnes es plegaran bé i altres necessitaran xaperonines mitocondrials.
La translocació de la proteïna s’explica a través de: -El gradient electroquímic que es genera a través de la membrana mitocondrial, activa els transportador TIM i fa que s’obri. A continuació es necessita tibar la proteïna amb les xaperones de la matriu mitocondrial (Hsc-70 - forma part del canal TIM 44 i mitjançant la hidròlisi d’ATP estira la proteïna). Llavors es talla la seqüència senyal (proteasa) i es pot plegar bé sola o mitjançant l’ajuda de xaperonines (Hsp60).
En el cas que aquest gradient electroquímic es dissipés, no s’importarien proteïnes a la matriu.
En qualsevol dels casos la proteïna entra per TOM 40 i a continuació per TIM23 (ajudant-se de les xaperones Hsc-40). Finalment, ja dins la matriu, una proteasa talla la seqüència senyal.
3 Tema 10: Mitocondris DESTINACIÓ DE LES PROTEÏNES A LA MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA: Hi ha tres mecanismes diferents de transport de la proteïna a la MMI, tots utilitzen al mateix translocador extern que reconeix diferents senyals (TOM40). Hi ha tres tres canals diferents a la membrana interna, les vies són: -PATH A: la primera via és semblant a la d’abans, utilitza TOM40 i TIM23. A més de la seqüència senyal que expressa que la proteïna va al mitocondri es necessita una seqüència que atura la translocació perquè la proteïna pugui ser transmembranal (aquesta proteïna no la reconeix el primer translocador(el de la membrana externa)) Un cop s’ha aturat la translocació (a nivell de TIM23), es talla la seqüència i el translocador es desplaça de costat. Així doncs, la proteïna queda inserida a la membrana mitocondrial interna.
-PATH B: utilitza TOM i TIM 23, la proteïna entra completament a la matriu, a més de la seqüència que la dirigeix a la matriu, tenim una altra seqüència senyal que dirigeix la proteïna al canal OXA1, que està a la membrana interna. S’entra tota la proteïna a la matriu, es talla la seqüència senyal i llavors s’inserta gràcies a OXA. Aquest mecanisme l’utilitzen bàsicament les proteïnes codificades al DNA mitocondrial.
-PATH C: l’utilitzen proteïnes transportadores transmembranals de la membrana interna, aquestes, no tenen seqüència senyal de la matriu. La proteïna entra i travessa la membrana externa per TOM 40, la proteïna quan surt de TOM40 s’utilitza d’unes proteïnes com xaperones (tim 9/10) que amaguen les zones hidrofòbiques. Llavors es transportada fins a TIM 22 que és depenent de gradient. Aquestes proteïnes tenen 6 seqüències de translocació en forma d’hèlix α.
DESTINACIÓ DE LES PROTEÏNES A L’ESPAI INTERMEMBRANÓS: Es fa a través de dues vies: -La seqüència senyal de la matriu està a l’extrem amino: hi ha una seqüència que aturarà la translocació i que serà tallada per eliminar la proteïna a l’espai intermembranós. La proteïna entra per TOM40, entra a TIM23 (membrana interna) i quan apareix la senyal de translocació, el canal es desplaça lateralment de manera que la proteïna queda inserida a la membrana interna. A continuació, una proteasa reconeix aquesta segona seqüència, la talla i allibera la proteïna a l’espai intermembranós.
-Hi ha una seqüència que diu que la proteïna va a l’espai intermembranós: en aquest cas la proteïna entra per TOM40 i es reté a l’espai intermembranós.
DESTINACIÓ DE PROTEÏNES A LA MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA A la membrana mitocondrial externa hi ha les porines (canals en forma de lamina beta que permeten el pas de substàncies), aquestes porines no les pot inserir directament TOM. Es veu que hi ha un translocador anomennat SAM que inserta les proteïnes en forma de làmina β a la membrana. La proteïna primer entra per TOM a l’espai intermembranós , llavors les TIM (xaperones) la despleguen i entren per SAM i s’inserta a la membrana en forma de làmina β.
Les que no son porines tenen unes seqüència senyal de la matriu i una seqüència hidrofòbica que para la translocació. Aquesta proteïna entra per TOM40, atura la 4 Tema 10: Mitocondris translocació en el canal, que s’obrirà i la proteïna s’insereix a la membrana i la seqüència senyal queda penjant a l’espai intermembranós (NO S’ELIMINA !).
FUNCIONS DEL MITOCONDRI -Oxidació tant de carbohidrats com àcids grassos i síntesi d’ATP. Les oxidacions mitocondrials generen un gradient de protons que permet la formació d’energia i transportar molècules.
-Transport de molècules a través de la membrana mitocondrial interna.
-Produir escalfor.
-Síntesi de precursors biosintètics.
-Regulació d’apoptosi cel·lular.
-Oxidacions mitocondrials i síntesi d’ATP Durant l’oxidació s’oxiden els nutrients que donen acetil-CoA, aquest, a continuació, entra al cicle de Krebs i s’oxida a CO2 , en aquest cicle també es genera poder reductor. El poder reductor són electrons que s’utilitzen en la cadena de transport d’electrons i es genera ATP, les molècules que tenen poder reductor són NADH i FADH2 .
-Oxidació: Es poden oxidar aminoàcids, carbohidrats i àcids grassos. L’oxidació dels carbohidrats ( en aquest cas glucosa que està en forma de glicogen al citosol): -Després de degradar el glicogen, convertim la glucosa mitjançant glucòlisi, així obtenim 2 NADH, 2 piruvats i 2 ATP (tots al citosol).
-Els piruvats entren a la matriu mitocondrial gràcies a una permeasa (transport actiu secundari), el piruvat deshidrogenasa oxida el piruvat a acetil-CoA i es torna a obtenir NADH (poder reductor). Aquest NADH cedirà electrons a la cadena de transport d’electrons i els del citosol també ho faran.
Quan s’oxiden àcids grassos primer es trenquen els triglicèrids i s’alliberen. L’acil-coA entra a la β-oxidació on a cada cicle allibera un NADH i FADH2 finalment aconseguim acetil-coA i molt poder reductor que entrarà a la cadena transportadora d’electrons.
5 Tema 10: Mitocondris -Cicle de Krebs: En aquest l’acetil-CoA (2C) es combina amb l’oxalacetat i genera el citrat, després entrarà un cicle que tracta de recuperar l’oxalacetat i eliminar els CO2.
-Cadena respiratòria (de transport d’electrons): El poder reductor conté electrons d’elevada energia i el que fan el cedir-los als components de la cadena. Els NADH cedeixen un electró i passen a ser NAD+, el FADH2 en cedeix dos, passa a ser FAD2+. La cadena respiratòria està situada a la membrana mitocondrial interna i té 4 complexs fixes que són transmembranals: -NADH deshidrogenasa (complex 1) -Succinat deshidrogenasa (complex 2) -Citocrom B-C1 (complex 3) -Citocrom oxidasa (complex 4) Cadascun d’aquests està format per diferents pèptids i cada complex té uns elements no proteics anomenats grups prostètics que són els que transporten els electrons. Hi ha diferents tipus de grups prostètics (amb un electró al centre, centres ferrosulfurats, àtoms de coure…) A més a més hi ha dos elements mòbils: la ubiquinona i el citocrom C. La ubiquinona (o coenzim Q) transporta protons i té una cua hidrofòbica que permet insertar la ubiquinona a la membrana lipidica. A més a més també hi ha el citocrom C, que sempre està situat a l’espai intermembranós i es mou gràcies a interaccions iòniques amb les proteïnes o els lípids de la membrana.
6 Tema 10: Mitocondris A més a més de tot això hi ha dues molècules que cedeixen els electrons d’alta energia, no els cedeixen al mateix complex transmembranal de la cadena. El NADH el cedeix al complex 1. El FADH2 cedeix els electrons al complex 2.
-El NADH cedeix els electrons al complex 1 (allibera 2 e-) els electrons circulen pels grups prostètics del complex multiproteic, així aquest pot bombejar 4 protons des de la matriu cap a l’espai intermembranós. Els electrons els cedeix a la ubiquinona que agafa 2 protons de la matriu, així la ubiquinona es redueix. Llavors difon per la bicapa i cedeix els dos electrons al complex tres i els dos protons els allibera a l’espai intermembranós. Els electrons es mouen pels grups prostètics del complex tres que bombeja 2 protons i el complex 3 cedeix un a un els electrons al citocrom C i aquest al complex 4. Els electrons circulen per diferents grups prostètics i finalment els cedeixen a l’oxigen que amb dos protons fa aigua. Es bombegen finalment 2 protons més des de la matriu fins a l’espai. En aquest tros de cadena hem mogut 10 protons.
-En el cas del FADH2 el complex 2 no te capacitat de bombejar protons, la resta de cadena és igual, per tant es bombegen 4 protons menys, en total 6 protons.
*Amb el NADH obtenim més protons, i per tant més ATP.
El potencial redox (tendència a cedir o captar electrons d’una molècula), l’acceptor final és l’oxigen i el que els cedeix és el NADH o FADH2.
Hi ha interaccions especifiques entre els components de la cadena gràcies als elements mòbils. Així la cadena pot ser ordenada i el transport no és a l’atzar.
Amb la cadena aconseguim bombejar protons des de la matriu fins l’espai intermembranós i es genera un gradient electroquímic, en el cas de la matriu, el gradient té un component de potencial molt més elevat que el de concentració. Els protons no es queden a l’espai intermembranós (té pH neutre, no s’acumulen) no s’acumulen aquí gràcies a que hi ha porines. El gradient és elèctric i serveix per sintetitzar ATP, molècules, produir calor i translocar proteïnes.
A partir del NADH s’obtenen 10 protons i del FADH2 6 protons. Tots aquests circulen a través de l’ATP sintasa que es troba a la membrana mitocondrial interna, amb la subunitat catalítica encarada a la matriu. Per generar ATP es necessita que pel 7 Tema 10: Mitocondris complex hi passin físicament 3 protons. Normalment, per això, sempre es conta que se’n necessiten 4 ja que per formar ATP necessito els 3 protons i ADP + P, l’ADP, entra mitjançant un contransport en contra de gradient i l’ATP surt a favor de gradient.
El fosfat també entra en contra de gradient i surt un grup hidroxil a favor de gradient que formarà aigua (es gastarà un protó), llavors considerem que en total es necessiten 4 protons.
Funcionament de l’ATP sintasa En la imatge surt l’ATPasa de la membrana tilacoidal del cloroplast, aquest enzim es troba a la membrana mitocondrial interna del mitocondri i en els bacteris.
Les ATP sintases tenen una subunitat F0 que està immersa a la bicapa lipidica i una altra subunitat, la F1 encarada al medi aquós. Dins de les subunitats transmembranals hi ha un canal per on entren els protons a favor de gradient i quan entren circulen per les subunitats C i surten per un altre canal cap al citosol.
La subunitat C el que fa és rotar, però està enganxada amb ε i γ, de manera que rota tot el complex.
En la part encarada al medi aquós hi ha un hexàmer format per 3 subunitats β (catalítiques- formen ATP) i 3 subunitats α (reguladores).
Quan entren els protons, la subunitat C es mou, i amb ella també γ que interacciona amb les subunitats α i β, que són les catalítiques. En moure’s aquestes canvien de configuració i canvia la seva afinitat pels diferents elements (ATP, ADP i fosfat).
Les tres subunitats β poden tenir tres configuracions diferents (cadascuna pot tenir 3 configuracions) que són diferents i donen diferents afinitats per un determinat substrat. Per exemple: β1 pot estar en configuració O( obertapermet unir suaument l’ADP i el Pi), la configuració L (uneix amb més afinitat l’ADP + Pi i l’ATP no es pot unir) i finalment la configuració T (uneix molt fortament l’ADP i el Pi- i s’uneixen tant fort que generen espontàniament ATP) . Llavors tornem a la configuració O i l’ATP s’allibera. A partir d’aquí, hi torna a haver una rotació i tornen a pasar les 3 configuracions ( O- L-T).
En cada rotació sencera de la subunitat ˠ es generen 3 ATP (un de cada subunitat β).
L’ATPsintasa també pot funcionar com a bomba (bombejant protons dins l’espai).
8 Tema 10: Mitocondris TRANSPORT ACTIU En el mitocondri també hi ha transport actiu a través de la membrana mitocondrial interna mitjançant permeases.
Permet: -Transport d’ions i molècules en contra de gradient.
-Cotransport d’una molècula a favor de gradient.
Piruvat i protons: els protons entren a favor de gradient. El piruvat entra a un lloc amb moltes càrregues negatives.
Fosfat inorgànic: entra igual que el piruvat.
ATP i ADP: entren a través de l’ATP/ADP translocasa (es fa un cotransport), l’ADP entra en contra de gradient i l’ATP en surt a favor.
Els NADH que estan al citosol (s’han generat a la glucòlisi) poden donar els seus electrons a la cadena de transport. Però el poder reductor no pot entrar dins el mitocondri (no hi ha cap transportador pel NADH), el que fa la cèl·lula és traspassar el poder reductor d’una molècula a una altra fins que arribi a una molècula que pugui entrar dins el mitocondri.
Una via per fer això es la llançadora Aspartat-Malat (NAD+): A la membrana mitocondrial interna hi ha dos permeases, una per l’aspartat i una pel malat. El NADH transfereix el poder reductor a l’oxalacetat i aquest es redueix a malat i el NADH s’oxida a NAD+ . El malat pot entrar a la matriu, un cop allà, s’oxida a oxalacetat i el NAD+ (molècula que ja havia cedit els electrons a la cadena) es redueix a NADH i s’oxida cedint els electrons a la cadena de transport. L’oxalacetat es transforma a aspartat, surt per la permeases cap al citosol i alla l’aspartat es converteix altre cop en oxalacetat.
PRODUCCIÓ DE CALOR El gradient electroquímic pot utilizar-se per generar calor, això passa en els animals que hivernen i en els nounats que tenen “grassa parda”. En el teixit adipós dels nounats hi ha mitocondris especialitzats en generar calor. A la membrana mitocondrial, aquests tenen una proteïna anomenada termogenina que té capacitat de desacoblar la cadena d’electrons de l’ATP sintasa . Així, els protons han de pasar forçosament per la termogenina, quan passen per aquest canal es genera calor.
Hi ha molècules com el dinitrofenol que són artificials i fan el mateix efecte que la termogenina.
L’energia es produeix en oxidar el NADH i s’allibera en forma de calor, la termogenina transporta protons i la membrana mitocondrial interna és permeable a aquests.
9 Tema 10: Mitocondris 10 ...