TEMA 12 - Mitocondris PDF

Preview

Summary

Mitocondris...

Description

TEMA 12: MITOCONDRIS Característiques comunes de mitocondris i cloroplasts -

Mitocondris a totes les cèl·lules, cloroplasts a cèl·lules fotosintètiques orgànuls especialitzats en la conversió d’energia i síntesi d’ATP orgànuls amb doble membrana orgànuls semiautònoms, amb DNA i ribosomes propis (poden sintetitzar algunes de les seves proteïnes) origen endosimbiont

1. ESTRUCTURA I COMPOSICIÓ DELS MITOCONDRIS - nombre, forma i mida variables en funció del tipus cel·lular i l’estat fisiològic de la cèl·lula (més activa la cèl. → necessita més energia → més mitocondris - ocupen fins al 25% del volum citoplasmàtic - elevada plasticitat (poden canviar de forma) i mobilitat (cap a les parts on requereixen més energia → excepcions: no es mouen dels punts on es necessita energia permanentment → cua de l’espermatozoide per moure el flagel) - poden formar i desfer xarxes de mitocondris fusionant-se i fisionant-se (separar-se) entre si - 4 parts: membrana mitocondrial externa, membrana mitocondrial interna, espai intermembranós, matriu mitocondrial o Contenen proteïnes diferents o La quantitat de proteïnes varia molt (més prot. a matriu i memb. int.) o Tenen funcions diferents Membrana mitocondrial externa (MME) -

Té un gruix de 70 Å. Té una composició semblant a la de la membrana plasmàtica (50% lípids, 50% proteïnes). És rica en porina (que forma canals) → permeable a molècules < 5000 Da (forma porus o canals bastant grans

Espai intermembranós -

Té un gruix de 60-100 Å. Té una composició similar a la del citosol (en quant a molècules < 5000 Da). Conté molts enzims en dissolució aquosa. Hi ha punts concrets on desapareix (punts de contacte, importants en la translocació de proteïnes).

Membrana mitocondrial interna (MMI) -

Té un gruix de 60 Å. És molt impermeable tant a molècules grans com a petites (fa de barrera entre citosol i matriu mitocondrial). Es troba replegada (invaginacions) formant crestes → permeten augmentar la superfície de la memb. Principals components lipídics: cardiolipina (fosfolípid doble responsable de la gran impermeabilitat, no es troba en cap altra membrana perquè es fabrica al mitocondri a partir de lípids precursors provinents del citosol).

-

Principals components proteics: cadena de transport electrònic, ATP sintasa, proteïnes de transport. Hi ha diferents proteïnes en les crestes que en la resta de la membrana → difusió lateral limitada

Matriu mitocondrial -

Conté enzims (oxidació del piruvat, cicle de Krebs, replicació, transcripció i traducció DNA mitocondrial). Conté DNA mitocondrial (circular, diverses còpies). Conté ARNt (de transferència) i ARNr i ribosomes mitocondrials per a la síntesi de proteïnes.

2. BIOGÈNESI DELS MITOCONDRIS -

Es dóna constantment al llarg de la interfase Etapes: 1. Creixement: a. replicació DNA mitocondrial (a qualsevol fase de la interfase → no com ADN, que només ho fa a la fase S) b. síntesi de proteïnes (MMI) ( 5%) → proteïnes de la MMI → la resta, codificades a l’ADN nuclear, sintetitzades al citosol i translocades postraduccionalment c. importació de proteïnes del citosol (95% proteïnes del mitocondri) d. importació de lípids del REL 2. Divisió (per partició) La MMI creix fins que les crestes es toquen i divideixen la matriu en 2. Després es divideix la MME i es parteix el mitocondri en 2. Drp1: proteïnes citosòliques semblants a les dinamines que “escanyen” els mitocondris El RE (sobretot el llis) sovint està associat en el procés de divisió Fusió: es fusionen les membranes externes i les proteïnes Opa1 (lila) fusionen les membranes internes.

2.1. GENOMA MITOCONDRIAL I SÍNTESI DE PROTEÏNES - DNA circular; vàries còpies (5-10 còpies/mitocondri) - representa 1% (mamífers)-99% (oòcits de granota) del DNA total de la cèl·lula - no associat a histones → no en forma de cromatina - no introns en mamífers - varia molt en cada espècie

Humans: -

-

-

1600pb rRNA: 16S i 12S codifica per 22 gens per tRNA i 13 per prot.

La majoria són subunitats de complexes proteics (que es completen amb proteïnes importades del citosol) Replicació i transcripció a la matriu Enzims de transcripció i altres proteïnes (com subunitats) se sintetitzen al citosol Ribosomes: formats per rRNA (mitocondri) + proteïnes (citosol)

Diferències amb gens nuclears: -

-

Segueix un codi genètic que és variable segons l’espècie (codi genètic ≠ al codi universal, al dels gens nuclears) → els codons formen diferents aa És d’herència citoplasmàtica (materna) → només rebem mitocondris de la mare → només podem heretar malalties genètiques causades per mutacions en gens mitocondrials per via materna. Depenent de l’espècie poden passar 2 coses: o En la fecundació, els mitocondris dels espermatozous no penetren a l’oòcit (només penetra el cap i no la cua, on són els mitocondris) o Si entra a l’oòcit el cap i la cua, els mitocondris de l’espermatozou són degradats per autofàgia

2.2. IMPORTACIÓ DE PROTEÏNES DEL CITOSOL - Les proteïnes citosòliques representen un 95% del total de proteïnes del mitocondri - La translocació és postraduccional (síntesi de proteïnes en ribosomes lliures del citosol) i té lloc en els punts de contacte - Seqüència senyal: o direccionament a la matriu: si la proteïna ha d’anar a un compartiment diferent, cal que porti, a més, una altra seqüència senyal interna (hi ha excepcions) o a N-terminal o 20-80 aas o plegada en hèlix α amfipàtica (tots els aa amb càrrega positiva queden agrupats a una banda de l’hèlix, permetent el reconeixement per part dels receptors de la superfície de la membrana del mitocondri)

Complexos de translocació: es localitzen en els punts de contacte (MME/MMI) Principals complexes de translocació de proteïnes:

Complex OXA: inserta proteïnes del citosol i del propi mitocondri

2.2.1. Proteïnes de la matriu mitocondrial Porten només la seqüència senyal N-terminal 1. Unió de les proteïnes a xaperones citosòliques (les proteïnes només poden passar pel complex si estan desplegades) → hi ha consum d’ATP 2. La seqüència senyal no s’uneix a xaperones, es plaga en forma d’hèlix α i és reconegut per Tom 20/22, receptor de la MME del complex Tom 3. El receptor Tom 20/22 s’associa al canal de translocació Tom 40 → s’inserta l’extrem N-terminal 4. Translocació a través de la membrana externa → a mesura que va entrant la proteïna, les xaperones s’alliberen 5. Les proteïnes entren al canal Tim (Tim 23/17) en els punts de contacte. Necessita energia: Potencial de membrana de la MMI gràcies a un gradient de H+ (càrregues + a l’espai intermembranós i càrregues – a la matriu) → els aas positius del senyal N-terminal són atrets per càrregues internes negatives Les xaperones de l’interior (diferents del citosol però de la mateixa família: Hsc70) s’uneixen i estiren cap a dins → necessiten ATP 6. La mpp (enzim) talla la seqüència senyal. 7. La proteïna es plega per si sola o amb l’ajuda de xaperonines/xaperones. Hi ha 3 fonts d’energia per fer la translocació: ATP en el citosol (xaperones), ATP en la matriu (xaperones) i gradient de H+.

2.2.2. Proteïnes de la membrana mitocondrial interna Segons el tipus de proteïna, es poden importar de 3 maneres diferents: Via A -

És la via més freqüent És similar a la importació de proteïnes de la matriu → senyal N-terminal i senyal intern d’atur de la transferència Reconegudes pel Tom20/22 → Tom40 → inserides al Tim23/17 La seqüència senyal interna atura la translocació de la proteïna quan entra a Tim23 → la seqüència senyal s’elimina (queda a la matriu) → el canal s’obre lateralment i la proteïna surt ancorada a la MMI Una petita part queda a la matriu i l’altra a l’espai intermembranós

Via B -

-

Porten seqüència a N-terminal, reconeguda per Tom20/22 i Tim23/17, i una sèrie de seqüències senyals internes que ancoren les proteïnes a la membrana (no són d’atur de la translocació) Les proteïnes són totalment translocades a la matriu → seqüència senyal N-terminal tallada Un cop dins de la matriu, el complex Oxa1 reconeix les seqüències senyal internes i insereix la proteïna a la MMI (Oxa1 també pot inserir proteïnes sintetitzades a la matriu mitocondrial)

Via C -

-

És una via molt minoritària (la segueixen proteïnes multipas) No porten seqüència senyal N-terminal, només seqüències senyal internes, tantes com dominis transmembranals tinguin → reconegudes pel receptor Tom70 → les insereix al canal Tom40 → espai intermembranós A l’espai intermembranós són reconegudes per xaperones Tim9/10, que les dirigeixen al canal Tim22/54 → des d’aquest són inserides directament a la MMI

2.2.3. Proteïnes de l’espai intermembranós Hi ha 2 vies perquè les proteïnes de l’espai intermembranós hi quedin de forma soluble passant la membrana externa: Via A -

La proteïna té 2 senyals: una senyal N-terminal i una senyal intern d’atur de la translocació. 1. Reconeixement de N-ter per Tom20/22 → translocació per la membrana externa per Tom40 2. La senyal interna atura la translocació per Tim23/17 i ancora la proteïna a la MMI 3. Tall de la seqüència senyal N-terminal per mpp i tall de la seqüència senyal interna per proteasa → la proteïna queda lliure a l’espai intermembranós Via B -

La proteïna té només una senyal interna (no porta seqüència senyal N-terminal) → reconegut per un receptor del complex Tom (diferent de Tom20/22) Proteïna translocada totalment per Tom40 → queda lliure a l’espai intermembranós Per passar per Tom40 → les xaperones estiren la proteïna i estableixen ponts disulfur amb l’aa Cys La seqüència senyal interna no és eliminada

2.2.4. Porteïnes de la membrana mitocondrial externa Depèn dels dominis transmembranals (hèlix α o làmina β) Via A -

-

Porten una seqüència senyal N-terminal en forma d’hèlix α i una altra d’atur de translocació en el complex Tom40 → s’obre lateralment → la proteïna queda a la MME La seqüència N-terminal no es talla, ja que l’enzim mpp no hi pot arribar

Via B -

La segueixen proteïnes amb dominis plegats en forma de làmina β (porines) Es transloquen totalment a l’espai intermembranós El complex SAM amb l’ajuda de xaperones les insereixen a la MME

2.3.

IMPORTACIÓ DE LÍPIDS DEL REL

Dos mecanismes: 1. Els lípids són transportats per proteïnes intercanviadores de fosfolípids, que van des de la membrana del REL (monocapa externa) a la MME (monocapa externa). 2. Els lípids passen d’una membrana a l’altra per contacte directe -

El pas de la monocapa externa a la interna es duu a terme per flipases Encara no se sap com passen de la MME a la MMI (es creu que podria ser pels punts de contacte) És possible el metabolisme d’alguns lípids com la cardiolipina

3. FUNCIONS DEL MITOCONDRI: RESPIRACIÓ CEL·LULAR Acoblament quimiosmòtic: -

1a fase: part osmòtica → el transport d’e- d’alta energia de l’oxidació de molècules orgàniques permet bombejar H+ i establir un gradient 2a fase: part química → gradient de H+ utilitzats per aconseguir energia

- Respiració cel·lular → oxidació de molècules orgàniques (glúcids i lípids, i en casos extrems proteïnes) per sintetitzar energia en forma d’ATP gràcies a un gradient de H+ - Oxidació de molècules orgàniques → e- d’alta energia → captats per NADH i FADH2 (molèc. transportadores d’e-) → els cedeixen a la cadena de transport electrònic (cadena respiratòria), a través de la qual van perdent energia → e- de baixa energia → són acceptats per l’O2 i formen H2O L’energia alliberada s’utilitza per crear un gradient de H+ a través de la MMI, gràcies al qual es produirà la síntesi d’ATP. - En la oxidació: Es necessita: molècules orgàniques, O2 Es produeix: CO2, H2O i gradient H+

- En el mitocondri trobem 4 blocs d’oxidacions: 1. Oxidació piruvat/àc.grassos/aas → acetil CoA 2. Oxidacions del cicle de Krebs (ac.CoA → CO2) 3. Cadena respiratòria (més [H+] a l’espai intermembranós que a la matriu) 4. Síntesi d’ATP 1 i 2 a la matriu 3 i 4 a la MMI → a la regió de les crestes, on hi ha l’ATPsintasa,...

3.1. OXIDACIÓ DEL PIRUVAT, ÀCIDS GRASSOS I AMINOÀCIDS FINS A ACETIL-COA 3.1.1. Oxidació del piruvat -

-

-

Carbohidrats: font principal de combustible La glucosa s’acumula en les cèl·lules (glucogen en animals, midó o sacarosa en vegetals) → hidròlisi → glucosa → glicòlisi → piruvat → piruvat deshidrogenasa → acetil-CoA La glucòlisi té lloc al citosol. Glucòlisi: 1 glucosa → 2 piruvats (3C) + 2 ATP + 2 NADH El piruvat ha d’entrar a la matriu → cal un transportador específic (permeasa específica a la MMI, el piruvat pot passar lliurement per la MME per porines). A la matriu, el piruvat és oxidat per un complex (piruvat deshidrogenasa) 1 piruvat → 1 acetil-CoA (2C) + 1 NADH + 1 CO2.

3.1.2. Oxidació dels àcids grassos -

-

-

L’oxidació dels àcids grassos té lloc quan les reserves de carbohidrats són baixes Produeix molta més energia que la dels carbohidrats (reserva energètica a llarg termini de les cèl·lules) Triglicèrids (gotes lipídiques en el teixit adipós animal) → hidròlisi → 3 àcids grassos → activació: addició de CoA amb ATP perquè l’àcid gras pugui entrar a la matriu (permeasa) → acilgras-CoA → β-oxidació → acetil-CoA La β-oxidació té lloc a la matriu mitocondrial o peroxisomes La β-oxidació és un procés cíclic: en cada cicle s’eliminen 2C en forma d’acetil-CoA cada volta → 1 acetil-CoA + 1 NADH + 1 FADH2 Es fan voltes de cicle fins que l’àcid perd tots els carbonis.

3.2. Oxidacions del cicle de Krebs -

-

Consisteix en l’oxidació del piruvat fins a CO2. A la matriu mitocondrial L’acetil-CoA es combina amb l’oxalacetat (4C) formant una molècula de 6 carbonis i durant el cicle es perden 2 C en forma de CO2 per tornar a formar oxalacetat (molècula inicial). Per cada cicle (molècula d’acetil-CoA): o 2 CO2 o 1 GTP (pot ser convertit a ATP) o 3 NADH o 1 FADH2

Palmitat: àcid gras de 16C

3.3. TRANSPORT D’ELECTRONS PER LA CADENA RESPIRATÒRIA -

-

Els NADH i FADH2 transmeten els e- d’alta energia (2 e-) a la cadena respiratòria (crestes mitocondrials) → van perdent energia → e- baixa energia + O2 + H+ → H2O L’energia dels e- s’aprofita per fer entrar H+ a la matriu i sintetitzar ATP. La cadena respiratòria consta de 4 complexos fixos: NADH deshidrogenasa (complex I) succinat deshidrogenasa (complex II) citocrom c reductasa (complex III) citocrom c oxidasa (complex IV) Degut a la seva mida, tenen poca mobilitat a la membrana → 2 transportadors mòbils: ubiquinona (coenzim Q) (passa e- del complex I-III) citocrom c (passa e - del complex III-IV) → proteïna perifèrica de la MMI que mira cap a l’espai intermembranós

-

-

Les proteïnes que formen la cadena respiratòria són capaces de captar i cedir eperquè tenen grups prostètics units: Citocroms o Transporten 1 eo El Fe permet captar els eo Diferents tipus amb diferents afinitats o A la part final de la cadena (complex III i IV) o Grup prostètic: grup hemo Ubiquinona o coenzim Q o Transporta 2 e- i 2 H+ o Conté una cadena carbonada llarga (cua) → liposoluble, té mobilitat per difusió lateral Proteïnes ferrosulfurades o Transporten 1 eo A l’inici de la cadena o Grup prostètic: centre ferrosulfurat → format per diferents àtoms de Fe i S o El distingeixen pel nombre de Fe i S que porten Flavoproteïnes o Grup prostètic: flavina → pot ser FAD o FMN o A l’inici de la cadena o N’hi ha poques Proteïnes amb àtoms de coure o Grup prostètic: àtom de coure o Al final de la cadena A mesura que avancem, les proteïnes han de tenir més afinitat amb els e- → la cadena té un únic sentit

NADH - Donador principal → dóna 2 e1. El NADH passa els 2 e - (d’un en un) al complex I (es transloquen 4 H+ ). 2. La ubiquinona capta els 2 e- i 2H+ de la matriu. Passa els e- al complex III i els 2H+ a l’espai intermembranós i transloca 2H+ més, els 2 que portava i 2 afegits. 3. El citocrom c (es mou associat a la membrana) capta els e- d’un en un i els passa al complex IV (es transloquen 2 H+). 4. Els e- es combinen amb l’O 2 i amb H + de la matriu per produir H2O. - Per cada 2 e- es transloquen 10 H+ a l’espai intermembranós

FADH2 -

Passa els e- al complex II no a l’I) → no transloca H+ (implicacions importants energèticament) La ubiquinona els passa del complex II al III Els e- segueixen el mateix camí que en el NADH Per cada 2 e- es transloquen 6 H+ a l’espai intermembranós

Els complexes no estan ordenats però cada un té un potencial redox diferent (cada vegada més gran): -

Negatiu: tendència a cedir e- (NADH) Positiu: tendència a captar e- (O2 )

3.4.

SÍNTESI D’ATP

Bombeig de H+ → gradient electroquímic de protons (potencial de membrana) → diferència de concentració de protons entre membranes Matriu mitocondrial → pH 8 → càrrega -, espai intermembranós → pH 7 → càrrega + Acumula més energia útil la part elèctrica (potencial de membrana) → el gradient més important en el mitocondri és l’elèctric → s’utilitza per sintetitzar ATP L’energia emmagatzemada al gradient electroquímic de protons es pot usar per: -

síntesi d’ATP transport actiu de molècules a través de la membrana mitocondrial interna importació de proteïnes del citosol (per passar del complex Tom al Tim) producció de calor (greix bru)

-

El moviment dels electrons al llarg de la cadena de transport genera una energia lliure que és utilitzada per moure protons cap a l'espai intermembranós. Translocació de H+ a través de la MMI + impermeabilitat de la MMI a ions → gradient electroquímic de H+

-

ATP sintasa -

-

Responsable de la síntesi d’ATP (conversió d’energia elèctrica en energia química emmagatzemada en forma d’ATP) Està situada a les crestes de la MMI. Té una estructura similar a les de tipus V (és una bomba tipus F) → 2 dominis: F0 (transmembranal) i F1 (a la matriu) → tenen vàries subunitats Reversible si el gradient desapareix o és molt petit i hi ha una gran concentració d’ATP Per cada ATP han de passar 3 H+ a través de l’ATP sintasa i 1 H+ és utilitzat per transportar el Pi cap a l’interior Total: 4H+ / ATP 3 ATPs/volta, ∼400 ATPs/segon Rendiment total oxidació de la glucosa fins a CO2 (si tots els e- estan dedicats a formar ATP, que no és així):

-

No hi ha cap sistema que permeti transportar NADH2 al mitocondri → ha de passar els e- a una altra molècula → llançadores Llançadora aspartat-malat (cèl·lules del fetge, ronyó o múscul cardíac): o 2 e- a oxalacetat → malat → entra amb una permeasa al mitocondri → oxalacetat → traspassa els e- a un altre NADH o NADHcitosol → NADH mitocondri (2e-) Llançadora glicerol-fosfat (cèl·lules del múscul esquelètic, cervell i altres): o 2 e- a dihidroxiacetona → glicerol fosfat → entra al mitocondri o NADHcitosol → FADH 2 matriu

-

Per això amb l’oxidació de la glucosa es creen entre 30-32 ATP → depèn de cèl.

3.5.

TRANSPORT DE MOLÈCULES MITOCONDRIAL INTERNA

A

TRAVÉS

DE

LA

MEMBRANA

Importació de piruvat: o Del citosol a la matriu en contra de gradient o MME: poden passar → molt permeable o MMI: transport actiu secundari → simport amb H+ a favor de gradient o Es basa en el gradient químic Importació ATP a favor de gradient Importació fosfat (Pi): entra dins de la matriu en contra de gradient o Antiport d’àcid fosfòric cap a dins i OH- cap a fora → s’uneix amb un H+ formant H2O → gastem un H+ del gradient (pèrdua d’energia per a síntesi d’ATP) o Es basa en el gradient químic Importació d’ADP: contra gradient o permeasa: bomba ADP-ATP o es basa en el gradient elèctric

3.6. PRODUCCIÓ DE CALOR - Greix bru (mamífers acabats de néixer, animals hivernadors, animals que viuen en a...