Mitocondrias Y Cloroplastos 4r582

FACULTAD DE MEDICINA HUMANA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS BÁSICAS MÉDICAS BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

Organelas Bioenergéticas: Mitocondrias y Blga. Milagros Quintana Cáceda, MSc. cloroplastos 1

Mitocondrias Blefaroplasto, condrioplastos, condriosomas, gránulos fucsinofílicos, mitogel, cuerpos parabasales, vermículas, sarcosomas, cuerpos intersticiales, plasmosomas, plastocondrios, bioblastos, etc. Carl Benda,1889, denominó así a gránulos que brillaban en tinciones de cristal violeta y alizarina. Hogeboon, Schneider y Palade,1948, establecen que es el lugar de la respiración celular. M. Nass y S.Nass, 1963, presencia de ADN. Encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular. En organismos eucariota (hongos, animales y plantas). Estructuras móviles y muy plásticas que se deforman, se dividen y fusionan. Normalmente se las representa como Cilindros alargados. Ocupan el 25% del volumen celular Desplazamiento asociado a losCáceda microtúbulos Blga. Milagros Quintana MSc. 2

Mitocondria: Estructura y Composición Tamaño: • Longitud: 0.5 – 10 μm • Diámetro: 0.5 – 1 μm N◦/célula: 1 – 1000 Condrioma celular: conjunto de mitocondrias en la célula. Ejm. Hepatocito de 1000 – 2000 mitocondrias (1/5 del vol.celular).

Estructura: • Membrana interna (Crestas) • Membrana externa •Composición Espacio Intermembranoso Molecular: •Proteínas Matriz y fosfolípidos de las membranas son muy Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc. 3 diferentes.

ATP Sintasa (F F ) Cresta 0 1

Membrana Externa (bicapa lipidica) • 50% de proteínas, 50% lípidos • Permeable a iones, moléculas 5Kd (metabolitos, polipéptidos) •Membrana Contiene enzimas enselectiva) síntesis de lípidos. Internaimplicados (altamente • Impermeable a moléculas 5 Kd y iones, incluido + H • Contiene:  80% proteínas, 20% lípidos de los cuales 10% es cardiolipina  Transportadores de la cadena de electrones (Complejo I-IV)  Otros Transportadores de membrana.  Traslocasa ADP-ATP Difosfatidilglicerol (DPG)  ATP Sintasa (F0F1) Cardiolipina

Ribosomas Canales Porina VDAC Canal Anionico Dependiente de Voltaje

Espacio Intermembranoso Contiene Citocromo c Enzimas dependientes de ATP para fosforilar otros nucleótidos. (adenilato quinasa, creatinina quinasa)

Matriz Contiene: • Complejo Piruvato DH • Enzimas del Ciclo Ácidos Tricarboxilicos • Enzimas β- oxidación • Enzimas de oxidación de Aminoácidos • Ribosoma, ADN • Muchas otras enzimas • ATP, ADP, Mg+2, Ca+2, K+4

Mitocondria: Funciones Producción de la Energía Respiración celular Integración del metabolismo de los azúcares Oxidación del piruvato Metabolismo de los ácidos grasos y esteroides Metabolismo de los aminoácidos Ciclo de los ácidos tricarboxilicos (Ciclo de Krebs) Fosforilación oxidativa para obtención de ATP Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc. 5 Termogénesis

Vías Metabólicas en la Mitocondria ANT=

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

Translocador de nucleótido de adenina CACT= Translocasa carnitina acilcarnitina T= Carnitina palmitoil transferasa DIC= Transportador de Dicarboxilatos ETF= Flavoproteína transportadora de electrones ETF-DH= deshidrogenasa transportadora de electrones PDHC= Complejo Piruvato deshidrogenasa 6 TCA= Ácidos

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Complejos Multiproteícos del Transporte de electrones en la Cadena Respiratoria COENZIMA Q:

 10 unidades de isoprenos en mamíferos y 6 unidades en bacterias.  Acepta electrones del NADH y del Succinato

Succinato Deshidrogenasa (Complejo II)

Citrocomo Oxidasa (Complejo IV)

Fo-F1 ATP sintasa (Complejo V)

Coenzima Q Oxido-reductasa y Citocromo c reductasa (Complejo III)

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Complejos Multiproteícos en el ensamblaje respirator

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Determinación del Transporte de Electrones de la Cadena Respiratoria

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Translocación de protones a través del gradiente de la membrana interna mitocondrial

NAD +

NAD+

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Quimiosmosis

Membrana externa

Membrana interna

ATP Matriz Quimiosmosis

H+

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

Es el termino dado al proceso donde los protones atraviesan una membrana a través de una gradiente electroquímico de protones. El protón usa un complejo proteico integral de membrana llamado Complejo FoF1. Este complejo contiene una enzima que liga ADP a Pi y sintetiza ATP. La energía necesaria para esta reacción es obtenida de la difusión de protones a través de 12

ATP  Los enlaces fosfoanhidridos del ATP representan el Potencial Químico de Energía.  Los dos enlaces fosfoanhidridos terminales, son conocidos como enlaces de alta energía, por que cuando se hidrolizan ellos liberan una gran cantidad de energía.  La energía liberada se utiliza para: transporte activo, contracción muscular, movimiento celular, Blga. Milagros Quintana Cáceda movimiento intracelular de MSc.

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Síntesis de ATP Hay muchas vías metabólicas por la cuál células de organismos heterotróficos pueden sintetizar ATP. MECANISMO: Fosforilación a nivel de sustrato (Glucólisis y Creatina fosfato) Quimiosmosis Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Termogénesis Capacidad de generar calor en el organismo debido a reacciones metabólicas.

La disipación de calor equilibra esta generación de energía interna dando lugar a una homeostasis térmica (equilibrio térmico) en las células (37ºC en el hombre) La termogénesis puede ser inducida por dieta (alimentos con capacidad termogénica) Si la energía contenida (como grasa, proteína y glucógeno) no se ve alterada (Almacenamiento de Calor=0) la energía entrante es igual a la que sale, y por lo tanto se produce un equilibrio energético. Si la pérdida de calor es alta (aumento de la termogénesis) hay disminución en el almacenamiento; si es baja, el almacenamiento se activa ( capacidad de almacenar grasa,glucogeno, etc.) 15

Flagelo

Rotación del flagelo bacteriano Gradiente de protones a través de la membrana plasmática es utilizada para:

Espacio Extracelular

Membrana bacteriana externa

Membrana bacteriana interna (Membrana plasmática)

Estativo Proteico

Rotor Proteico

Motor flagelar girando a más de 100 revoluciones por segundo

•Impulsar la síntesis de ATP. •Transporte de metabolitos. •Rotación del flagelo para desplazarse.

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

Bomba de protones

Citoplasma

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ADN Mitocondrial ADN es circular, bicatenario, cerrado, sin extremos. En los seres humanos tiene un tamaño de 16569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes (que codifican para13 proteínas mitocondriales y algunos ARN) distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Cadena H: Composición en bases (total bases: 16569): 4096 A ; 2171 C ; 5180 G ; 5122 T. Peso molecular: 5168.726 daltons Cadena L: Composición en bases (total bases: 16569): 5122 A ; 5180 C ;  2171 G ;  4096 T. Peso molecular: 5060.609 daltons. Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias Blga. Milagros Cáceda MSc. 17 de la molécula deQuintana ADN.

Características Específicas de la Genética Mitocondrial 

Localizado en un organelo citoplasmático 16,569 pb Herencia materna Segregación mitótica Alta velocidad de mutación No presenta intrones Poliplasmia (alto Mapa genético del DNA mitocondrial humano. se representa las dos hebras del DNA con los genes que codifican: rRNA (12s y 16s), tRNA, señalados con la abreviatura del aminoácido número de copias

que transportan, y secuencias codificadoras de proteínas (CO: subunidades citocromo c oxidasa; cyt b: citocromo b y ND: subunidades de NADH deshidrogenasa). H1, H2 y L indican los lugares de iniciación deBlga. la transcripción las MSc. hebras pesada y ligera, respectivamente. Milagros Quintana de Cáceda 18 O y O simbolizan los orígenes de replicación de la cadena pesada y ligera

En el ADN mitocondrial humano están codificados 37 genes (frente a los 20,000 – 25,000 genes ADN cromosómico nuclear):  2 ARNr ribosómicos,  22 ARNt de transferencia y  13 ARNm para que genes que codifican el complejo I deproteínas NADH participan en la deshidrogenasa fosforilación genes que codifican el complejo IV de citocromo oxidativa oxidasa genes que codifican el complejo V (ATP-sintasa) 19 Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

rganos afectados por las patologías mitocondriales

La función de los complejos de la fosforilación oxidativa pueden sufrir alteraciones por defectos en el ADNn o/y en el ADNmt; lo cual afecta la producción de ATP que traerá como consecuencia el daño a diferentes órganos. 20

Adapted from Johns, DR: Mitochondrial DNA and Disease. The New England Journal of Medicine;

Órganos afectados por las patologías mitocondriales ORGANO

AFECTACIÓN

Cerebro

Retraso en el desarrollo, retardo mental, demencia, convulsiones, desórdenes neuro-psiquiátricos, parálisis cerebral atípica, migrañas, infartos.

Nervios

Debilidad, dolor nueropático, ausencia de reflejos, problemas gastrointestinales (reflujo gastroesofágeo, vaciado gástrico retrasado, constipación, pseudo obstrucción), desmayos, ausencia o exceso de sudor relacionados con problemas de regulación de la temperatura.

Músculo s

Debilidad, hipotonía, calambres, dolor muscular.

Riñones

Desgasta proximal renal tubular que provoca pérdida de proteínas, magnesio, fósforo, calcio y otros electrolitos.

Corazón

Defectos en los conductos cardiacos (bloqueos del corazón), cardiomiopatía.

Hígado

Hipoglicemia (niveles de azúcar bajos en la sangre), falla del hígado.

Ojos

Pérdida de visión y ceguera.

Oídos

Pérdida auditiva y sordera.

Páncrea

Milagros Quintana Cáceda MSc. Diabetes yBlga. falla pancreatítica exocrina (incapacidad para21generar

Pueden ser causadas por mutaciones puntuales: sustitución, inserción o delección En la base de secuencias Factores: codificadoras. Naturaleza de la mutación Grado de heteroplasmia Requerimientos energéticos del tejido Capacidad del tejido para reparar el daño.

Enfermedades Mitocondriales

Las mutaciones que ocasionan enfermedades se indican con el número de la pareja de bases (p.e. Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc. 22 MELAS 3243)

Grupo

Mutaciones Puntuales en ADNmt

Reorganizaciones en el ADNmt

Deplesiones ADNm

Nombre de Enfermedad

Mutación ADNmt

Gen Afectado

Característica de la enfermedad

Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON)

G3460 A G11778 A T14484 C

ND1 ND4 ND6

Perdida visión central. Neuropatía periférica Ataxia cerebral

Síndrome de Neuropatía, ataxia y retinoplastía pigmentaria (NARP)

T8993 G

ATPasa 6

Debilidad muscular neurogénica Ataxia Retinitis pigmentosa Demencia

Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)

T8993 G T8993 C

ATPasa 6 ATPasa 6

Retraso desarrollo Degeneración multisistémica Ataxia Convulsiones Neuropatía periférica.

Síndrome de Epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas (MERRF)

A8344 G T8356 C

tRNALis tRNALis

Epilepsia mioclónica. Convulsiones Miopatía Demencia Sordera Neuropatía

Síndrome de encefalomiopatía mitocondrial con ácidosis láctica y episodios de accidentes cerebro-vasculares (MELAS)

A3243 G C3256 T T3271 C T3291 C T9957 C

tRNALeu tRNALeu tRNALeu tRNALeu CO III

Convulsiones generalizadas. Dolor de cabeza. Sordera Demencia

Diabetes de herencia Materna con sordera.

A3243 G

tRNALeu

Sordera

Síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson

Delección única

Anemia macrocítica Muerte

Síndrome de Kearns-Sayre (SKS)

Deleción 5000pb

Oftalmoplejia, retinitis pigmentosa Dolor neuralgico y debilidad Disfagia, ataxia Muerte prematura

Relacionada con el número de copias del ADNmt por mutaciones en genes del ADNn.

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Organelas bioenergéticas son

presentes en

formados por

presenta

realiz an

Crestas Mitorribosomas Proteínas transmembranamitocondriales Enzimas Como la Porina realizan la

Procesos metabólicos

contienen

Pigmentos fotosintéticos absorben la

Plastorribosomas Proteínas translocadoras Enzimas realizan la

contiene

posee

contiene Membrana Membrana Tilacoides Estroma Plastidial interna Plastidial extern los pequeños posee ADN forman la plastidial Grana contiene

Membrana Membrana Mitocondrial externa Mitocondria interna

ADN mitocondrial

Cloroplastos

Vegetales

formadas por Matriz

Animales

poseen

Mitocondrias

Transportadores ATP-sintetasa Energía luminosa de electrones donde sebase para se como sintetizarealizar la encuentran en la ATP Clorofila Carotenoides liberan mediante

 oxidación Ciclo de Biosíntesis Cadena Quimiósmosis Fotosíntesis ATC proteínasrespiratoria ac. grasos

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PLASTOS  Estructuras membranosas de composición química lipoproteica, que en su interior pueden contener pigmentos, enzimas y/o iones.  Se encuentran en el citoplasma de las células tanto de algas como de plantas.  Sirven como almacén de proteínas, o almidón Los plastos selípidos clasifican en:  Leucoplastos, (leucoplastos) ,formados o bien depor una membrana;  Cromoplastos, que almacenan pigmentos rojo, pigmentos (cromoplastos). amarillo y anaranjado;  Cloroplastos, que en su interior encontramos la grana, intergrana y los tilacoides, dentro de los cuales esta contenida la molécula de clorofila Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Cloroplasto  Realizan fotosíntesis en horas de luz.  Son descendientes de bacterias fotosintéticas productoras O2  Miembro más destacado de la familia de los plastidos .  Todos los plastidos de una misma especie contienen múltiples copias del mismo genoma.  Rodeado por envoltura de membranas.  Realizan sus

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Cloroplasto: Estructura Hoja

Cloroplasto

Epidermis superior (haz)

Contiene: Enzimas metabólicas; RNA, ADN, ribosomas; Lípidos, gránulos de Estroma almidón y otras sustancias

Grana

Grana

Membra na Espacio Membra tilacoida Membrana externa tilacoida Altamente na l l Espacio Intermembrana permeable interna (Porinas)  Menos permeable  Cadena de transporte  Contiene proteínas de de e Sistema de captación transporte. 27 de

Epidermis inferior (envés)

Cloroplasto: Funciones Realizar la fotosíntesis que comprende: Reacciones fotosintéticas de transferencia de electrones ó Fase luminosa: Se realiza en la membrana de los tilacoides, donde se halla la cadena de transporte de e- y la ATPsintasa responsables de la conversión de la energía lumínica en energía química (ATP) y de la generación del poder reductor (NADPH). Reacciones de fijación de Carbono ó Fase oscura: Se produce en el estroma, dondeBlga.se halla el enzima Milagros Quintana Cáceda MSc.

Cloroplasto Reacciones fotosintéticas de transferencia de e- en la Membrana Tilacoidal

Reacciones de fijación de C en el estroma

Azúcares, Aminoácidos, Ácidos grasos

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Reacciones Fotosintéticas En los cloroplastos, los pigmentos fotosintéticosde (clorofila a, clorofila b y carotenoides) son encerrados en estructuras de transferencia de emembranas llamadas Fotosistema I (PSI) y Fotosistema II (PSII). Los e- son transportados de PSII a PSI vía la cadena de transporte de e-. Espacio Tilacoide

ADP + Pi ATP Estroma

Estroma

Fotosistema II

Fotosistema I

Los fotones inciden sobre PSII, excitando y liberando 2 e-, que pasan al primer aceptor de e-, la feofitina. Los e- los repone el primer dador de e-, el dador Z, con los e- procedentes de la fotólisis del agua en el interior del tilacoide . Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del tilacoide, y el O es29

Variaciones de Potencial redox durante la fotosíntesis  Fase luminosa aciclica  (FS II y FS I)  Fotolisis del agua, producción de ATP y NADPH  Fase luminosa ciclica  (FS I)  Genera solo ATP

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Reacciones de Fijación de Carbono Ribulosa 1,5 diP compuesto rico en energía favorece la fijación del CO2. Se requiere 2 NADPH y 3 ATP Se produce gliceraldehído 3-P que puede 3 Moléculas de CO transformar en Fructosa 6se fijan y dan una producción neta de 1 P y glucosa. molécula de 3-fosfato y un costo neto de 9 Se forma Sacarosa que moléculas de ATP y 6 moléculas de NADPH luego se transporta desde las hojas a toda la planta. Azúcares, Aminoácidos y Ácidos grasos El gliceraldehído que se queda en el cloroplasto es Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc. 31 2

La fijación del CO2 ocurre en tres estadosBlga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Reducción del 3PG

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Otras funciones de los cloroplastos  Síntesis de ácidos grasos y aminoácidos en el estroma  El poder reductor impulsa la reducción de nitritos (NO2- a amoniaco (NH3), necesario para síntesis de aminoácidos y de nucleótidos. Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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Teoría endosimbiótica Hace unos 1.500 millones de años, una célula procariota capaz de obtener energía de los nutrientes orgánicos aprovechando como oxidante al O2 fue fagocitada por otra célula procariota o eucariota primitiva sin ser digerida inmediatamente, fusionándose en un momento de la evolución. Simbiosis : la procariota fagocitada proporcionaba energía (ATP )y la célula hospedera ofrecía un medio estable y rico en nutrientes. Este mutuo beneficio hizo que la célula invasora se convirtiera en parte del organismo mayor: la mitocondria. Factores que apoyan esta teoría: Bacterias y mitocondrias tienen en común: el tamaño, la estructura, componentes de su membrana, la forma en que producen energía, etc. Las mitocondrias poseen su propio ADN y está recubierta por su propia membrana. El código genético del ADN mitocondrial no suele ser el mismo que el código genético del ADN nuclear. A lo largo de Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc. 35

Árbol filogenético de la probable evolución de los cloroplastos y mitocondrias

Blga. Milagros Quintana Cáceda MSc.

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