UNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

MitocondriaGenerador de energaAcademia de Profesores de Biologa Celular de la DCBS M. en C. Edith Corts Barberena

Objetivo del diaporamaApoyar el tema de 5 del temario de la UEA Biologa Celular. Mitocondria.Estructura y Funcion.Estructura. Permeabilidad de los componentes de las membranas mitocondriales, espacio intermembranal y matriz. Funcin. Sitios de generacin del poder reductor (NADH y FADH2)

Teora quimiosmtica de Peter Mitchell Relacin que guarda el transporte de electrones y la fosforilacin oxidativa Respiracin. Conceptos de potencial redox. Relacin de la energa libre con el potencial redox. Ciclo de los cidos tricarboxlicos. Importancia. Reacciones y su regulacin. Formacin de molculas reducidas como sustratos de la cadena de transporte de electrones.

Objetivo del diaporama (continuacin)Cadena respiratoria. Componentes de la cadena de transporte de electrones y sus caractersticas. Complejos de la cadena de transporte de electrones y su ubicacin topolgica en la membrana interna mitocondrial. Flujo de electrones a travs de los complejos de la cadena respiratoria y generacin de un gradiente electroqumico de protones. Inhibidores del flujo de electrones. Teora quimiosmtica y acoplamiento de la sntesis de ATP a la cadena respiratoria. Componentes del gradiente electroqumico de protones. Enzima ATP sintetasa, caractersticas y propiedades. Fosforilacin oxidativa. Inhbidores y Desacoplantes.

EnergaTodos los organismos requieren energa. ATP: molcula para capturar y transferir energa libre en los sistemas biolgicos.ATP + H2O ADP + Pi

G = -7.5 Kcal/mol G

De dnde se obtiene energa?Dos procesos para generar ATP.Oxidacin de molculas. Carbohidratos + O2 Fotosntesis Luz + CO2 + H2O

CO2 + H2O

Carbohidratos

Ciclos del oxgeno y del carbonoCarbohidratos O2Luz

Respiracin FotosntesisClulas fotosintticas Clulas heterotrficas

Energa qumicaEnerga calorfica

H2O CO2

Organelos generadores de energaMitocondria Cloroplasto Microcuerpos

Mitocondria: Organelo encargado de la respiracin

Mitocondria en la clula animal

Mathews y van Holde, 2a. ed

Mitocondria: Organelo encargado de la respiracin

Mitocondria en la clula vegetal

Mathews y van Holde, 2a. ed

MitocondriaOrganelo complejo encargado respiracin. Forma, nmero y localizacin variable en la clula.Forma de salchicha. 0.2 m a 1 m de dimetro, 1 m a 4 m de largo.Imagen tomada de Principios de Bioqumica de Lenhinger.

Estructura mitocondrialOrganelo con un sistema de doble membrana:Membrana externa sin pliegues. Membrana interna muy plegada (gran rea).

Espacio intermembranal

Alto porcentaje de protenas en la membrana interna

Membrana externa mitocondrial

Membrana interna mitocondrial

Micrografa electrnica de mitocondrias

1 mTomada de Principios de Bioqumica Tomada de Alberts y cols.

Reconstruccin tridimensional de mitocondria dendrtica

http://www.sci.sdsu.edu/TFrey/MitoMovie.htm

Otros componentes de la mitocondriaRibosomas ADN

Sistemas de transporte a travs de las membranas mitocondriales.Membrana externa mitocondrial:Fcilmente permeable a molculas pequeas e iones por medio de las porinas.

Membrana interna mitocondrial:Impermeable a la mayora de las molculas pequeas e iones. Solo a travs de transportadores especficos es posible cruzar la membrana interna.

Transporte a travs de la membrana internaPiruvato

PorinaH+

Piruvato translocasa

Piruvato

H+

Membrana Membrana interna mitocondrial externa mitocondrial

Transporte de ATP, ADP y Pi a travs de la membrana internaADP-ATP translocasa

ADP

H+

Pi

+ ATP

Matriz mitocondrial

Transporte de ATP, ADP a travs de la membrana internaH+

Espacio intermembranalH+ H+ H+ H+ H+

H+

H+ H+

H+

H+

ADP3-

H+

ATP4H+

H+

H+

ADP-ATP translocasa

Matriz mitocondrialBasado en el esquema de Karp,1998

Transporte de grupos acilos a travs de la membrana interna.CoASH Acil-carnitina Acil-CoA Carnitina

Acil-carnitina

CarnitinaMembrana interna mitocondrial

CoASH

Acil-CoA

Oxidacin de cidos grasos (-oxidacin)

Transformacin de la glucosa para la obtencin de energaGlucosaGluclisis (10 reacciones sucesivas)

Fermentacin alcohlica

2 piruvatosCondiciones aerbicas

Fermentacin lctica

2 etanol + CO2Fermentacin alcohlica en levadura.

2 lactatoFermentacin: Msculo microorganismos

CO2 2 acetil-CoA acetilCiclo del cido ctrico

4CO2 + 4H2O

Gluclisis2 ATPs 2 NAD+ 2 Pi

CH2OH O OH OHCOOH C=O

OH

OH

CH3 Piruvato 4 ATPs 2 NADH

Glucosa

Ganancia neta en la gluclisis: 2 ATPs y 2 NADH

La mitocondria como principal generador de ATPPiruvato (3C) Acetil-CoA

Ciclo de Krebs (matriz mitocondrial)Citrato

Oxaloacetato

malato

-cetoglutarato Succinil-CoA

Espacio intermembranal H+ H+ e H+ H+

Cit C

Q Q H2

Q Q H2

cox

Fosforilacin oxidativa (membrana interna)

ATP sintasa Fumarato 4 H+ + O2 H2O ADP + Pi H+ ATP

NADH

NAD+ Succinato

Complejo I

Complejo III

Complejo II Matriz mitocondrial

Complejo IV

Complejo V

Condensacin Citrato sintasa deshidratacin Deshidrogenacin Oxaloacetato Malato deshidrogenasa Malato aconitasa

cis-aconitasa

Hidratacin

Fumarasa UQH2

aconitasa

hidratacin

Fumarato

UQ Succinato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa

Isocitrato

Descarboxilacin oxidativa

DeshidrogenacinSuccinilCoA sintetasa

Complejo -cetoglutarato deshidrogenasa -cetoglutarato SuccinilCoA

Succinato

Fosforilacin a nivel de sustrato

Descarboxilacin oxidativa

Eslabn entre la gluclisis y el ciclo de Krebs.CO2 CoA-SH NAD+ TTP, lipoato y FAD NADH

+

COOH C=O CH3Piruvato

O C

S-CoA

Complejo piruvato deshidrogenasa (E1+ E2 + E3)

CH3AcetilAcetil-CoA

Fosforilacin oxidativaDos fenmenos estrechamente acopladas:Oxidacin de NADH y succinato (FADH2) por la cadena respiratoria y generacin de un gradiente de protones. El gradiente de H+ es aprovechado por la ATP sintasa, la cual disipa el gradiente mientras fosforila ADP para obtener ATP (Sntesis de ATP). (Sntesis ATP).

Fosforilacin oxidativaEspacio intermembranalH+ H+ H+ H+

eCit C Q QH2 Q QH2 ATP sintasa Succinato Fumarato 4 H+ + O2 H2O ADP + Pi H+ ATP

cox

NADH

NAD+

Complejo I

Complejo III

Complejo II

Complejo IV

Complejo V

Matriz mitocondrial

Cadena respiratoriaH+ 4H+

Espacio intermembranalH+ H+ H+ 2H+ H+ H+ Cit C

H+

H+ 2H+ H+

H+

e-

H+

Q QH2 QH2

Q

cox

H+ NADH NAD+ H+ H+ Succinato Fumarato 4 H+ + O2 H2O

H+

Complejo I (Sitio I)

Complejo III (Sitio II)

Complejo II

Complejo IV (Sitio III)

Matriz mitocondrial

Sntesis de ATPH+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

X

El gradiente de protones es aprovechada por la ATP sintasa, para generar ATP. An no se tiene claro si la ATP sintasa bombea 3 o 4 protones por cada ATP.

ATP sintasa H+ H+ ADP + Pi H+ H+ ATP

Teora quimiosmtica1.

2.

3.

La cadena transportadora de electrones transloca protones a travs de la membrana interna mitocondrial, conforme se dan las reacciones de xido reduccin. La ATP sintasa utiliza la fuerza protn motriz para llevar a cabo la fosforilacin del ADP. La membrana interna mitocondrial es impermeable a los iones H+ y OH-.

ATP sintasa

Imgenes tomadas de Principios de Bioqumica de Lenhinger.

Estequiometra del nmero de ATPs por cada NADH y succinato (FADH2)Si la ATP sintasa bombea 3 H+ por cada ATP: ATP:NADH: NADH: Se bombean 10 protones en la cadena respiratoria, por lo que la energa alcanza para 2.5 ATPs. ATPs. Succinato (FADH2): Se bombean 6 protones, por lo que se alcanzan a generar 1.5 ATPs. ATPs.

Efecto de inhibidores y desacoplantesInhibidores: molcula que interviene directamente en una parte de la cadena oxidativa.Se unen a alguna subunidad especfica. Unin a un grupo prottico. Compiten con los donadores y aceptores de electrones.

InhibidoresH+ 4H+

Espacio intermembranalH+ H+ H+ 2H+ H+ H+ Cit C

H+

H+ 2H+ H+

H+

e-

H+

CI

Q QH2

Q

CIIIQH2

cox

H+ NADH NAD+ H+ H+ Succinato Fumarato 4 H+ + O2 H2O

H+

Rotenona

Antimicina

CN, CO

Matriz mitocondrial

Efecto de inhibidores y desacoplantesDesacoplantes: Abaten el potencial electroqumico.Introducen H+ o cargas positivas hacia la matriz mitocondrial. Ejs:2,4-Dinitrofenol (DNP) 2,4Trifluorocarbonilcianuro hidrazona (FCCP)H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

ATP sintasa H+ H+ H+ H+ ADP + Pi H+ H+ ATP

ResumenMitocondria: organelo de doble sistema de membranas, con una funcin predominante en la obtencin de energa. Membrana externa muy permeable. Membrana interna selectiva, con alto contenido de protenas y muy plegada que rodea a la matriz mitocondrial.

ResumenEn matriz mitocondrial se transforma el piruvato a acetil-CoA acetilLa acetil-CoA entra al ciclo de los cidos acetiltricarboxlicos, en donde se obtienen coenzimas reducidas. En la membrana interna se realiza fosforilacin oxidativa (cadena respiratoria y sntesis de ATP).

ResumenLa cadena respiratoria transloca protones a travs de la membrana interna mitocondrial, conforme se dan las reacciones de xido reduccin. La translocacin de protones genera la fuerza protn motriz. La ATP sintasa utiliza la fuerza protn motriz para llevar a cabo la fosforilacin del ADP.

BibliografaAlberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. Molecular Biology of the Cell. New York and London: Garland Science ; c2002 Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert. Biochemistry New York: W. H. Freeman and Co. ; c2002 Cooper, Geoffrey M. The Cell - A Molecular Approach.. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc. ; c2000. Konigsberg Fainstein, Mina. Respiramos por los pulmones o por las mitocondrias. Ciencia y Desarrollo. 144. 66-72. 1999. 66Karp, Gerard. Biologa Celular y Molecular. McGraw-Hill McGrawInteramericana; 1998.

BibliografaLodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. Molecular Cell Biology. New York: W. H. Freeman & Co. ; c1999 Mathews C.K. , van Holde K.E. Ahern K.G. Bioqumica. 3a. ed. Espaa, Addison-Wesley. 2002. AddisonNelson D.L. y Cox M.M. Lehninger Principios de Bioqumica. 3a ed. Omega, Espaa. 2001. Perkins, G., Renken, C., Martone, M.E., Young, S.J., Ellisman, M., and Frey, T. "Electron Tomography of Neuronal Mitochondria: THree-Dimensional Structure THreeand Organization of Cristae and Membrane Contacts" Journal of Structural Biology 119, 260-272 (1997). 260-

Diapositivas adicionales

CloroplastoOrganelo que se encuentra en clulas vegetales. Sistemas membranales, una de ellas altamente plegada. Realizacin de la fotosntesis.

Estructura del cloroplastoMembrana externa Membrana interna Tilacoides Grana (tilacoides apilados)

Estroma

Tilacoides no apilados

Micrografa de tilacoides

Microscopa electrnica criofractura que revela diferencias composicin entre tilacoides apilados en grana (GT) y no apilados (ST)

Ciclo de desarrollo del cloroplasto

Surgimiento de la mitocondria

CH2OH O OH OHGlucosa

GluclisisOH

OH

La gluclisis se lleva a cabo en citoplasma. Se transforma glucosa y se obtienen:

HO-CH2

O HO

OH

2 piruvatos, 2 ATPs en forma neta y 2 NADH.

CH2OH OH

GluclisisCH2OH O OH OH-O3PO-CH2

O

+ ATPOH OH

OH OH

OH

OH

Glucosa

+ ADP

Fuerza protn motrizAl generar un gradiente de H+ a travs de la membrana, tambin crea un potencial elctrico, llamado potencial de membrana.nH+int nH+ext

G= RTln (nH+int/nH+ext) G= RT (pHint-pHext) G= nF

Fuerza protn motrizG = nF G = nF + RTln([H]next/[H]nint) G = nF + nRTln pH G = F + RT pH