TEMA 13. Mitocondrias - Apuntes 13 PDF

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1 TEMA 13. MITOCONDRIAS 1. GENERALIDADES Son orgánulos grandes (0 – 1ɥ) y ovalados, aunque tienen una elevada plasticidad, cambian de forma constantemente. Constituyen entre el 15 y el 20% del volumen celular. Son estructuras muy dinámicas, que se fusionan y se dividen, por lo que cambian en nº y ap...

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TEMA 13. MITOCONDRIAS 1. GENERALIDADES Son orgánulos grandes (0.5 – 1ɥ) y ovalados, aunque tienen una elevada plasticidad, cambian de forma constantemente. Constituyen entre el 15 y el 20% del volumen celular. Son estructuras muy dinámicas, que se fusionan y se dividen, por lo que cambian en nº y apariencia.Además, son orgánulos móviles, que se desplazan gracias a los microtúbulos del citosol para colocarse en las zonas de gasto de ATP.

2. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN 2.1 ESTRUCTURA DE LAS MITOCONDRIAS  MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA Está formada por un 40 % de lípidos y un 60 % de proteínas (es el 6 % de las proteínas totales de las mitocondrias). Contiene porinas→ Conductos de barril β de diámetro grande,regulables. Gracias a éstas, la membrana es muy permeable para iones, agua, ATP, NAD, acetil-CoA… Tiene enzimas relacionadas con distintos procesos: ~ Metabolismo de lípidos. ~ Degradación del triptófano, oxidación de la adrenalina… ~ Receptores para latranslocación de proteínas. ~ Enzimas para la división y la fusión.  ESPACIO INTERMEMBRANOSO Se trata de un medio acuoso, de composición similar alcitosol gracias a la permeabilidad de la membrana mitocondrial externa. Contiene proteínas que inician la apoptosis (constituyen el 6% de las proteínas totales de las mitocondrias).  MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA Están compuestas por un 80% de proteínas (que forman el 21 % del total de las proteínas de las mitocondrias), que participan en la cadena respiratoria y en la síntesis de ATP, y un 20% de lípidos(poco colesterol). Consta de crestas internas (crestas mitocondriales) que aumentan su superficie. Se trata de una membrana muy impermeable, es decir, muy selectiva. Además, está muy especializada para llevar a cabo la fosforilación oxidativa. 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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Contiene lípidos como la cardiolipina, que hacen a la membrana aún más impermeable a los iones. También contiene las proteínas de la cadena transportadora de electrones y la ATP-sintetasa. En cuanto a la cadena transportadora de electrones, se trata de proteínas transmembranales (organizadas en complejos I, II, III, y IV ) que transportan electrones de un complejo a otro gracias a la oxidación de NADH a NAD+. Este proceso libera energía, aprovechada para bombear protonesH+ desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembrana, a través de canales de H+, y así crear un gradiente electroquímico. En cuanto a la ATP-sintetasa, es una proteína transmembranaoligomérica, muy grande, que consta de: 

Cabeza/partículaF1→ Consta de subunidades α3β3 (anillo de 6 unidades). ~ Tiene actividad ATP sintetasa → Es una bomba tipo F. ~ Disipa el gradiente creado por la cadena transportadora de electrones para sintetizar ATP. ~ Orientada hacia la matriz mitocondrial. ~ NO rota.



Tallo/pedúnculo/partícula F0→ Consta de varias subunidades. ~ Son proteínas transmembranales que tienen capacidad de rotación. ~ Al rotar Dejan pasar los H+ hacia la matriz. Gira el tallo de unión también.

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Tallos de unión→ Son 2 proteínas que unen la cabeza/partícula F1 al pedúnculo/partícula F0.

De esta manera, la energía potencial (gradiente) se convierte en energía mecánica (giro), y finalmente en energía química (ATP). Además, el gradiente de H+ también puede ser utilizado para el cotransporte de otras sustancias. Por ejemplo, el cotransporte de Pi – H+; elcotransporte de piruvato – H+;cotransporte de ADP-ATP.

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PROTEÍNAS DESACOPLANTES

Las proteínas UCP (proteínas desacoplantes) se encargan de crear canales de H+en la membrana mitocondrial interna paradisipar su gradiente, ya que los H+ que salen por la cadena respiratoria vuelven a entrar, pero NO a través de la ATP-sintetasa. Desacoplan la síntesis de ATP de la cadena respiratoria. Además, la termogenina es un tipo de UCP específico, presente sobretodo en el tejido adiposo pardo de los recién nacidos y de los animales hibernantes. Es un canal de la membrana mitocondrial interna que disipa el gradiente de H+, y genera calor. La mayoría de la energía, en vez de destinarse a la síntesis de ATP, se destina a la producción de calor, gracias a esta UCP.

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El 2,4-dinitro-fenol es una sustancia química artificial, no biológica, con función desacoplante. Difunde libremente por la membrana mitocondrial interna, y tiende a captar H+ en el espacio intermembrana, y a soltarlos en la matriz mitocondrial. Es considerado un veneno.

 MATRIZ MITOCONDRIAL En la matriz mitocondrial están el 67% de las proteínas mitocondriales, ya que se encuentran diversas enzimas, por ejemplo: ~ Piruvato-deshidrogenasa→ Enzima que convierte el piruvato en acetil-CoA. ~ Acetil-CoA → Se transforma en CO2 (en el ciclo de Krebs). ~ NAD+ → Se reduce a NADH (van a la cadena transportadora de electrones y seoxidan). ~ FAD+ →Se reduce a FADH2 (van a la cadena transportadora de electrones y se oxidan). 2.2 FUNCIÓN DE LAS MITOCONDRIAS En la matriz mitocondrial se llevan a cabo varios procesos:    

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β-oxidación de los ácidos grasos. Ciclo de Krebs. En condiciones de ayuno → Lleva a cabo la degradación de sus propias proteínas a aminoácidos, que se convierten en metabolitos para incorporarlos al ciclo de Krebs. En condiciones de exceso de nutrientes → El citratodel ciclo de Krebs sale de la mitocondria y en el citosol se destina a la síntesis de acetil-CoA, que dará lugar a ácidos grasos, esteroles y NADPH. Disminuye el exceso de NADH generado en la glicólisis → Se re-oxida el NADH a NAD+ mediante la reducción del piruvato en ácido láctico. Es necesario para no paralizar la glicólisis y no pueden realizarlo todas las células.

Además, la mitocondria tiene su propio genoma (ADNmt), y para utilízarlo, necesita sus propios ribosomas (mitorribosomas) y sus propias enzimas. Los mitorribosomas son más pequeños que los del citosol, y también tienen 2 subunidades (12S y 16S). 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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3. GENOMA MITOCONDRIAL HUMANO El genoma mitocondrial ( ADNmt) se utiliza para sintetizar algunas proteínas necesarias para la propia mitocondria. Tiene las siguientes características (parecidas al ADN bacteriano): Circular. NO tiene histonas. Existen entre 2 y 10 copias. Es más pequeño que el ADN nuclear. Tiene un asa D → Es el origen de replicación, y tiene las secuencias promotoras de la transcripción (región del ADNmt circular que comienza a separarse para laduplicación y transcripción). ~ 2 genes codifican para las subunidades mitorribosómicas. ~ 13 genes codifican para lasproteínas de la membrana mitocondrial interna. ~ 22 genes codifican para 22 ARNt mitocondriales (en el ADN nuclear hay 31 ARNt) → 1 ARNt reconoce a 4 anticodones (código relajado). ~ ~ ~ ~ ~

Hay variaciones en el código genético de las mitocondrias, ya que los mismos codones no codifican para los mismos aminoácidos. Pasa lo mismo en distintas especies.

4. BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS Las proteínas mitocondriales (excepto 13 de ellas, pertenecientes a los complejos de la cadena transportadora de electrones) son sintetizadas en el citosol de la célula. Después se translocan al interior mitocondrial.

Las proteínas que se translocan son:    

ADN-polimerasas. ARN-polimerasas. Proteínas de la traducción. Enzimas de la Fosforilación oxidativa.

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Enzimas del Ciclo de Krebs.

Estas proteínas, una vez en la mitocondria, se pueden incorporar en los distintos compartimentos → MME, espacio intermembrana, MMI, y matriz mitocondrial. El proceso de translocación es post-traduccional, no como en el RER. Las proteínas translocadoras son complejos proteicos multiméricos, compuestos por → Receptor y canal translocador. La secuencia señal de las proteínas de la matriz, y algunas de la MMI y de la cámara externa, consiste en una secuencia N-terminal (25-30 aas), con muchas cargas positivas, y con forma de α-hélice anfifílica. Posteriormente se elimina por la peptidasade la señal. En cuanto a las de la MME, y la mayoría de la MMI y de la cámara externa, son señales internas muy variables que no se eliminan. 4.1 TRANSLOCACIÓN DE PROTEÍNAS A LA MME Complejo TOM→ Transloca TODAS las proteínas citosólicas. Lleva las secuencias señal a la cámara externa, y ayuda a insertar las proteínas en la MME.  Complejo SAM→ Inserta las proteínas que reconoceen la MME, ayudado por las Hsp70.



Se insertan proteínas con estructura de barril-β, que son porinas, por lo que esta membrana es muy permeable. 4.2 TRANSLOCACIÓN DE PROTEÍNAS A LA MMI 

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Complejo TIM 23(TOM-TIM23) → Transloca proteínas de la cámara externa a la matriz, y se ayuda de una proteína de la matriz (Hsp70). Complejo TIM 22(TOM-TIM22) → Inserta las proteínas que reconoce en la MMI, aquellas que son multipaso. No hay gasto de ATP, ni ayuda de las Hsp70. No tiene secuencia señal en N-

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terminal. Posee señales internas, siendo dirigido por el potencial de

membrana.

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Complejo OXA→ Inserta en la MMI las proteínas sintetizadas en la mitocondria, y algunas del citosol. Tiene una secuencia señal adicional (hidrófoba), específica para este complejo.

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4.3 TRANSLOCACIÓN DE PROTEÍNAS A LA MATRIZ MITOCONDRIAL Es la más común. Una vez que el complejo TIM 23 ha traslocado a las proteínas, su unión a chaperonasHsp70 y Hsp60evita su plegamiento y agregación. Esta unión tiene consumo de ATP. Las proteínas tienden a difundir hacia la matrizmitocondrial gracias a su gradiente eléctrico (la cámara externa es de polaridad positiva, igual que las proteínas → Se repelen).

4.4 GASTO DE ATP Se requiere energía para los procesos en que intervienen las chaperonas: ~ Liberación de las chaperonas en el citosol → Evitan el plegamiento de la proteína, pero una vez unida al translocador, se desanclan mediante gasto de ATP. ~ Unión a chaperonas Hsp70 en la matriz → Ayudan al complejo TIM 23 a la translocación. ~ Unión a chaperonas Hsp60 en la matriz → Evitan el plegamiento de la proteína. Además, el potencial de membrana favorece el paso de proteínas con carga positiva a través de la MMI, pero requieren del complejo TIM 23, que va unido a Hsp70 que gasta ATP. 4.5 SEÑALES INTERNAS Si las proteínas tienen señales internas, durante la translocación éstas sirven de señal de parada de latranslocación (T10), por lo que salen por la compuerta lateral y quedan incluidas en la membrana.

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En el caso de la inserción de proteínas multipaso en la MMI, participa el complejo TIM 22. La proteína se va translocando gracias al potencial eléctrico de la membrana, NO hay gasto de ATP. 4.6 IMPORTACIÓN DE LÍPIDOS Las mitocondrias necesitan importar los lípidos, mediante proteínas de transferencia de fosfolípidos. Estos lípidos se sintetizan en el REL (fosfatidilcolina, fosfatidilserina…) y se importan hasta la mitocondria, que transforma la fosfatidilserina en fosfatidiletanolamina mediante descarboxilación.

5. DIVISIÓN MITOCONDRIAL Las mitocondrias se dividen por fisión, que es un proceso complejo por distintas razones: ~ Necesidad de mantener la integridad de los compartimentos. ~ Se duplican durante TODO el ciclo celular. ~ Se duplican de TODAS las copias de mitocondrias y de su material genético. Para la fisión, se fusionan 2 crestas mitocondriales internas formando un tabique que separa ambas partes, y de esta manera comienzan a invaginarse las membranas hasta dividirse. Antes de la división de la propia mitocondria, es necesaria la duplicación de su material genético. Este tipo de herencia es NO Mendeliana, ya que la herencia es únicamente materna. Todas las mitocondrias de nuestras células provienen del material genético aportado por el óvulo.

6. MITOCONDRIAS Y ENVEJECIMIENTO CELULAR Ocurren una serie de reacciones en el complejo IV de la cadena respiratoria, en el citocromo C. Se obtienen:  



En pequeño porcentaje → Radicales/aniones superóxido (O2-) muy reactivos. Superóxido-dismutasa(SOD) → Enzima que, para eliminar el O2-, lleva a cabo esta reacción: ~ O2- + O2- + 2H+ → 2 H2O2 +O2 ~ El H2O2 es muy reactivo también. Catalasa/glutatión-peroxidasa(GSH)→ Para eliminar el H2O2, lleva a cabo esta reacción: ~ H2O2 + 2 GSH → 2 H2O + GSSG ~ Así elimina el H2O2.

El 90% del O2- es formado en las mitocondrias, y a medida que crecemos, las mitocondrias van formando cada vez más O2-, lo que provoca: 1º GRADO EN MEDICINA / Mª INMACULADA CIDONCHA LOZANO (20152016)

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Mal funcionamiento mitocondrial. Daños por oxidación. Acumulación en el ADNmt. Aumento de la tasa de errores por oxidación.

Estos daños son los que provocan el envejecimiento celular, aunque no se sabe si es la causa principal o una secundaria.

7. MECANISMOS DE APOPTOSIS El proceso por el cual tiene lugar la apoptosis es: ~ ~ ~ ~

Pérdida de volumen celular y nuclear. Pérdida de la adhesión con células vecinas. Fragmentación de la cromatina. Generación de cuerpos apoptóticos (fragmentos que mantienen la integridad de la membrana). ~ Los cuerpos apoptóticos son fagocitados. Puede producirse por estímulos externos o internos. Estos últimos son: Daño genético irreparable. Hipoxia → Insuficiente O2 en la célula. [Ca2+] elevada en el citosol. Infecciones virales.

~ ~ ~ ~

Se dan distintas rutas, la Cascada Proteolítica Intracelular, mediada por las proteínas caspasas, que son proteasas que hidrolizan otras proteínas:     

Proteín-quinasas. Proteínas de la lámina nuclear. Proteínas del citoesqueleto. Endonucleasas. Proteínas de adhesión celular.

Estos procesos acaban provocando una muerte celular controlada. La regulación de la apoptosis la llevan a cabo las proteínas Bcl2. Dentro de la familia de estas proteínas hay de 2 tipos:  Pro-apoptóticas → Inducen a la apoptosis, como Bad y Bax.  Anti-apoptóticas → Inhiben la apoptosis, como Bcl-xl, Bcl-W y Bcl2. Cuando se desencadena la apoptosis, se activa la proteína Bax, por lo que aumenta la permeabilidad de las membranasy se libera el citocromo C al citosol. Cuando se libera el citocromo C del espacio intermembranal, se une a la proteína Apaf 1, y 7 de estas proteínas se unen formando un apoptosoma.

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ENFERMEDADES MITOCONDRIALES Las enfermedades mitocondriales pueden ser mutaciones heredadas o mutaciones adquiridas. Muchas son deletéreas, y las que afectan a ARNts son las más graves, además, suelen darse en heteroplasmia (organismos con poblaciones mixtas de mitocondrias). Las mutaciones en el ADN nuclear pueden darse por: ~ Fallos en la importación de proteínas. ~ Defectos en la síntesis de cardiolipina. ~ Otras causas. Además, estas enfermedades se manifiestan con distintos síntomas en las distintas mujeres, variando la gravedad, la edad de inicio y el tejido afectado.

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