Mitocondrias

Características 

están en todos los eucariotas

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tienen forma de riñón y miden alrededor de 3-6 µm de largo x 0,5-0,7 µm de diametro.

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el número es bastante variable, pueden ocupar hasta el 25% del citoplasma

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células hepáticas 1000-2000 no ocupan un lugar fijo, se mueven según la zona en que haga falta energía

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rodeadas por una membrana doble, separadas por un espacio intermembranoso

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las dos membranas limitan la matriz o compartimento interno

Organización

Membrana Externa

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define el perímetro exterior es permeable a los solutos del citosol, presenta porinas tiene enzimas que intervienen en la degradación de ácidos grasos

Espacio Intermembranoso

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presenta casi la misma composición química que el citosol, debido a que las porinas dejan pasar casi todas las moléculas.

Membrana Interna

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alto grado de especialización, gran cantidad de proteínas (75%) presenta pliegues llamados crestas mitocondriales, que aumentan la superficie y por lo tanto la cantidad de ATP a producir

Membrana Interna

Cadena de transporte de electrones Complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido (FMN). Complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q o ubiquinona. Complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c. Complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua.

ATP sintasa

Proteínas transportadoras Nucleótido de adenina translocasa. Se encarga de transportar a la matriz mitocondrial el ADP citosólico formado durante las reacciones que consumen energía y, paralelamente transloca hacia el citosol el ATP recién sintetizado durante la fosforilación oxidativa. Fosfato translocasa. Transloca fosfato citosólico que es esencial para fosforilar el ADP durante la fosforilación oxidativa.

Matriz Mitocondrial

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presenta moléculas que participan en la producción de ATP, entre 2 y 10 copias de un ADN circular, moléculas de ARN y ribosomas.

Origen Teoría de la Endosimbiosis

Sistema Genético

• En los humanos y la mayoría de los animales tiene una longitud de 16 kb y posee 37 genes (13 proteínas, 22 ARNt y 2 ARNr). • El genoma secuenciado más grande es Arabidopsis thaliana, que tiene 367 kb y codifica 32 proteínas: un poco más del doble de las que codifica el ADN mitocondrial humano. • El ADN mitocondrial con mayor número de genes pertenece al protozoario Reclinomonas americana que tiene 69 kb y 97 genes.

Sistema Genético • Las 13 proteínas sintetizadas están implicadas en el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. • También codifica los ARNr 16S y 12S y 22 ARNt que se requieren para la traducción de las proteínas codificadas por el organelo.

• Los dos ARNr son los únicos ARN mitocondriales de animales y levaduras. El ADN mitocondrial de las plantas también codifica un tercer ARNr de 5S. • Las mitocondrias de las plantas y de los protozoos importan y utilizan ARNt codificados tanto por el genoma nuclear como por el mitocondrial. • En las mitocondrias animales todos los ARNt son codificados por el organelo.

Internalización de Proteínas • El primer paso es la unión de las presecuencias a receptores en la superficie de la mitocondria. • Luego la cadena polipeptídica se inserta en un complejo proteínico que dirige la translocación a través de la membrana externa (complejo Tom). • Después, las proteínas se transfieren a un segundo complejo proteínico en la membrana interna (complejo Tim). • En el lado citoplásmico, miembros de la familia de chaperonas Hsp70 mantienen las proteínas parcialmente desplegadas para que puedan ser insertadas en la membrana mitocondrial. • El polipéptido es transferido a continuación a una chaperona de la familia Hsp60, dentro de la cual se produce el plegamiento de la proteína.

Inserción de Proteínas a la Membrana Mitocondrial

• Se realiza por secuencias hidrófobas que interrumpen el pasaje de las cadenas polipeptídicas a través del complejo Tim o Tom, quedando insertadas en la membrana mitocondrial interna o externa, respectivamente.

Inserción de Proteínas al Espacio Intermembrana

• Son transferidas al complejo Tim pero luego se liberan al espacio intermembrana debido a la escisión de las secuencias hidrófobas de interrupción de la transferencia.

Internalización de Fosfolípidos • Además de las proteínas, también los fosfolípidos mitocondriales son importados desde el citosol.

de

las

membranas

• La fosfatidilcolina y la fosfatidiletanolamina se sintetizan en el REL y se transportan a las mitocondrias mediante proteínas intercambiadoras de fosfolípidos de membrana. • Estas extraen moléculas aisladas de fosfolípidos de la membrana del REL y las liberan cuando el complejo llega a la membrana mitocondrial.

Internalización de Fosfolípidos

Las mitocondrias sintetizan fosfatidilserina a partir de fosfatidiletanolamina, y además catalizan la síntesis de cardiolipina, que tiene cuatro cadenas de ácidos grasos.

Obtención de Energía

1. Degradación enzimática

Estómago

2. Glucólisis

Citoplasma

3. Descarboxilación Oxidativa 4. Ciclo de Krebs 5. Fosforilación Oxidativa

Mitocondrias

1. Degradación Enzimática • los alimentos son digeridos hasta formar moléculas pequeñas

2. Glucólisis •

la glucosa (6C) es convertida en 2 de Piruvato (3C)

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participan 11 enzimas diferentes que están en el citosol de la célula

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se gastan 2 ATP, pero se generan 4 ATP, por lo cual la célula gana dos ATP, uno por cada Piruvato

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también se produce la reducción de 2 NAD+ para formar NADH

3. Descarboxilación Oxidativa 

el Piruvato (3C) es transformado en 1 grupo acetilo (2C), que se liga a la coenzima A (CoA), formando Acetil-Coenzima A

el C del piruvato se extrae con 2 O, por lo cual se forma CO2.

se genera energía para reducir 1 NAD+ (NADH) por cada acetilo producido

4. Ciclo de Krebs

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los C e H del acetilo son oxidados gradualmente, dando CO2 y H2O

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ocurre una serie de 9 reacciones mediadas por enzimas específicas

el acetilo se combina con Ácido Oxalacético (4C) para dar Acido Cítrico (6C)

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en cada vuelta, 2 de los 6 C del ácido cítrico se oxidan a CO2

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ello genera energía para formar 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH2

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las moléculas de CO2 pasan al citosol y de allí a los pulmones

5. Fosforilación Oxidativa • los electrones derivados del NADH y FADH2 se combinan con el O2, y la energía liberada es utilizada

para dirigir la síntesis de ATP a partir del ADP. • el O2 reducido se combina con 2 iones H+ para formar H2O

• la energía de los e- se usa para transportar protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso

• este transporte es contra gradiente y a través de las propias proteínas transportadoras de e-, que actúan como bombas de H+

Cadena Transportadora de Electrones

2. Los electrones se transfieren del NADH a un mononucleótido de flavina, y luego a la coenzima Q, que pasa los electrones al complejo III

1. Los electrones del NADH entran en la cadena transportadora de electrones en el complejo I

3. En el complejo III los e- se transfieren desde el citocromo b al citocromo c, que transporta e- al complejo IV

4. El complejo IV transfiere los electrones al oxígeno molecular

5. La energía derivada del transporte de electrones está acoplada a la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. La energía potencial almacenada en este gradiente se obtiene mediante un quinto complejo proteínico que acopla el flujo, energéticamente favorable de los protones a través de la membrana, a la síntesis de ATP

Cadena Transportadora de Electrones

los electrones del FADH2 pasan por el complejo II y luego a la coenzima Q.

de la coenzima Q los electrones se transfieren al complejo III y luego al IV

FADH2.

Cadena Transportadora de Electrones Complejo I (NADH deshidrogenasa)

• Cataliza la transferencia de un par de electrones del NADH a la coenzima Q o ubiquinona. • Por cada par de electrones recibido transporta 3 o 4 protones al espacio intermembrana. • Está formado por 43 cadenas polipeptídicas y tiene una masa de 850 kDa. • En los humanos 6 de estos polipéptidos son codificados por genes mitocondriales. • Grupos prostéticos: 9 centros de Fe y S, además de flavoproteína.

Cadena Transportadora de Electrones Complejo II (succinato deshidrogenasa)

• Cataliza la transferencia de electrones del FADH2 a la coenzima Q. • La transferencia de electrones no es acompañada por transporte de protones.

• Consta de cuatro cadenas polipeptídicas, todos codificados por genes nucleares, y tiene una masa de 140 kDa. • Grupos Prostéticos: FAD, centros Fe-S.

Cadena Transportadora de Electrones Complejo III (citocromo c oxidoreductasa)

• Cataliza la transferencia de electrones de la ubiquinona reducida al citocromo c, una proteína periférica de membrana. • Por cada par de electrones se translocan cuatro protones al espacio intermembrana. • Está formado por 11 subunidades o polipéptidos,, uno de ellos codificado por el genoma mitocondrial. Tiene una masa 250 kDa. • Grupos prostéticos: grupos hem, centros de Fe y S.

Cadena Transportadora de Electrones Complejo IV (citocromo c oxidasa)

• Cataliza la transferencia de 4 electrones del citrocromo c al oxígeno molecular. • Se bombean 4 protones por cada molécula de O2 reducida para formar agua. • Está formado por 13 polipéptidos, de los cuales el I, II y III son los mayores y están codificados por el genoma mitocondrial. Tiene en total 160 kDa.

Acoplamiento Quimiosmótico

• Como los protones están cargados positivamente, el gradiente de protones tiene un componente tanto químico como eléctrico. • El componente químico es el gradiente de concentración de protones, que es casi 10 veces superior en el espacio intermembranoso. • Además hay un potencial eléctrico a través de la membrana, debido al incremento neto de la carga positiva en el lado intermembranoso.

ATP Sintetasa (bomba tipo F) Dominio Citosólico (F1) 3α 3β 5 polipéptidos 1γ 1δ 1ε

Dominio Transmembranoso (F0) 1 molécula de proteína A 1 molécula proteína B 9-12 moléculas Proteína C

ggdfss

ATP Sintetasa (bomba tipo F) • el flujo de protones a través de la porción Fo determina la rotación de F1, que actúa como un motor de rotación que dirige la síntesis de ATP.

• se requiere el flujo de cuatro protones a través de Fo para dirigir la síntesis de una molécula de ATP por F1. • es decir que cada transferencia de protones en los complejos I, III y IV contribuye con la energía necesaria para sintetizar una molécula de ATP. • la oxidación de una molécula de NADH da lugar a la síntesis de tres moléculas de ATP. • la oxidación de un FADH2, que entra en la cadena de transporte de electrones en el complejo II, genera sólo dos moléculas de ATP.

Transporte a través de la Membrana Interna El gradiente de protones también proporciona energía para el transporte de moléculas y metabolitos que se necesitan en las mitocondrias.

• El transporte de ATP y ADP a través de la membrana interna está mediado por una proteína integral de membrana, el transportador de nucleótidos de adenina. • Este antiportador lleva una molécula de ADP al interior de la mitocondria a cambio de una molécula de ATP transferida desde la mitocondria al citosol. • Como el ATP tiene una carga negativa mayor que el ADP, el intercambio está dirigido por el componente eléctrico del gradiente electroquímico. • Puesto que el gradiente de protones establece una carga positiva en el lado citosólico de la membrana, el intercambio de ATP por ADP es energéticamente favorable.

Transporte a través de la Membrana Interna • El transportador de nucleótidos de adenina es la proteína más abundante de la membrana mitocondrial interna. • Es un homodímero con 12 segmentos transmembranosos. • Presenta 3 isoformas que tienen un 90% de homología a en su estructura primaria. • Las diferencias en la expresión de las tres isoformas dependen de las necesidades energéticas de la célula. • ANT1 es la isoforma más abundante en corazón y músculo esquelético, pero apenas es detectable en hígado, riñón y cerebro. • ANT2 se ha detectado en todos los tejidos mencionados a niveles relativamente constantes, pero es mayor su expresión en cerebro y riñón. • ANT3 es una isoforma ubicua, pero se ha detectado más en riñón.

Transporte a través de la Membrana Interna • Además de ADP, la síntesis de ATP en la mitocondria también requiere iones fosfato (Pi), que también debeben importarse del citoplasma. • Este pasaje lo realiza otra proteína transportadora de membrana, que importa fosfato (H2PO+4) y exporta iones hidroxilo (OH-). • Este intercambio es eléctricamente neutro porque tanto los iones fosfato como los iones hidroxilo tienen una carga de -1. • Sin embargo, el intercambio está dirigido por el gradiente de la concentración de protones. • El pH más elevado en el interior de las mitocondrias se corresponde con una mayor concentración de iones hidroxilo, lo que favorece su pasaje al lado citosólico de la membrana.

Transporte a través de la Membrana Interna • La energía del gradiente electroquímico se utiliza también para dirigir el transporte de otros metabolitos al interior de las mitocondrias. • Por ejemplo, el transporte de piruvato desde el citoplasma (donde se produce por la glicólisis) al interior de la mitocondria está mediado por un transportador que intercambia piruvato por iones hidroxilo. • Otros intermediarios del ciclo del ácido cítrico son capaces de ir y venir entre las mitocondrias y el citosol mediante mecanismos de intercambio similares.