BLGA. CAROLA CHAMBERS MEDINA

TRANSDUCCIÓN DE LA ENERGÍA

GENERALIDADES Se considera que tanto las mitocondrias como los cloroplastos

evolucionaron a partir de las bacterias fagocitadas por las célulaseucariontes primitivas.

Los procesos quimio-osmóticos están ampliamente difundidos.

Microorganismos modernos en ambientes similares y los queexistieron en etapas mas tempranas de la vida, utilizan elacoplamiento quimio-osmótico en la producción de ATP.

PROCESOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: Síntesisquímica de ATP, impulsada por elproceso exergónico de transferencia deelectrones desde el NADH hasta el O2

FOTOFOSFORILACIÓN: Síntesis químicade ATP impulsada por absorción de luzsolar

PROCESOS MÁS IMPORTANTES

HETERÓTROFOS AUTÓTROFOS

SÍNTESIS DE ATP

FOTOSÍNTESIS Este Proceso se realiza en los cloroplastos y la bacterias

fotosintéticas, los electrones de alta energía se generan cuando laclorofila absorbe la luz solar; esta energía es captada por complejosproteicos denominados fotosistemas, que en las células vegetales seencuentran localizadas en las membranas tilacoides de loscloroplastos.

Las cadenas de transporte de electrones asociadas con losfotosistemas transfieren electrones del agua mas NADP+ y formanNADPH. El O2 se genera como subproducto.

Las cadenas de transporte de electrones en los cloroplastos generanuna gradiente de protones a través de la membrana tilacoide. Estagradiente de protones es utilizada por una ATP Sintasa de lamembrana en la producción de ATP.

http://www.youtube.com/watch?v=AjQd-TaQpuQ

FOTOSÍNTESIS

MITOCONDRIA

MITOCONDRIAS Son organelas presentes en casi todas las células eucariontes.

El número por célula depende de la función que realizan.

Situados cerca de los sitios de utilización elevada de ATP.

Son dinámicas se mueven fusionan y dividen de acuerdo a lasnecesidades celulares.

ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS

BIOGÉNESISSe dividen:

Para sustituir mitocondrias viejas.

Antes de la mitosis

Según necesidades metabólicas.

ESTRUCTURA

MEMBRANA EXTERNA Permeable a moléculas pequeñas.

Presentan Porinas.

MEMBRANA INTERNA

MATRIZ MITOCONDRIAL

ADN MITOCONDRIAL Circular.

Codifica 13 proteínas y algunos ARN.

Presenta ribosomas.

Se hereda por vía materna.

FUNCIONES Su función central es la producción de ATP a través de la

Fosforilación oxidativa.

Quimiosmosis.

Apoptosis.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

OBTENCIÓN DE ENERGÍA La principal moneda energética de las células es el ATP.

Durante la glucolisis se produce poca cantidad de ATP, siendo laFosforilación Oxidativa el proceso que origina mayor cantidad deeste.

La Fosforilación oxidativa depende del transporte de electrones en lamatriz mitocondrial y del transporte de iones fuera de ella.

GLUCÓLISIS Y RESPIRACIÓN CELULARREACTANTES PRODUCTOS

GLUCÓLISIS

Glucosa ATP

ADP NADH+H

NAD Piruvato

OXIDACÍÓN DEL PIRUVATO

Piruvato CO2

Coenzima A NADH+H

NAD AcetilCoA

CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

AcetilCoA Coenzima A

NAD NADH+H

FAD FADH2

ADPATP

CO2

CADENA TRANSPORTADORA

DE ELECTRONES

NADH+H NAD

FADH2 FAD

O2 H2O

ADP ATP

Casi toda la energía disponible de la degradación de hidratos decarbono, grasas y otros nutrientes consumidos en las primerasetapas de su oxidación se almacena inicialmente en moléculastransportadoras activadas generadas en la glucolisis y el ciclo delacido cítrico: NADH y FADH

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA I Los electrones de las moléculas transportadoras se transfieren

mediante una cadena transportadora de electrones y oxidan a NAD+y FAD. Los electrones pasan al final al oxigeno molecular O2 yforman H2O.

Esta transferencia de electrones libera energía que bombeaprotones procedentes del agua, a través de la membrana y generaasí un gradiente electroquímico de protones.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Tres grandes complejos enzimáticos respiratorios dispone de

proteínas transmembrana que sostienen con firmeza todo elcomplejo proteico en la membrana mitocondrial interna:

NADH deshidrogenasa (Complejo I)

Succinato deshidrogenasa (Complejo II)

Complejo Citocromo b c1 (Complejo III)

Citocromo c oxidasa (Complejo IV)

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA II El H+ vuelve a fluir a favor de su gradiente electroquímico mediante

un complejo proteico denominado ATP Sintasa que cataliza lasíntesis del ATP, proceso que requiere energía a partir del ADP y elfosfato inorgánico.

Figura 10.12 Transporte de metabolitos a travésde la membrana interna mitocondrial.El transporte de moléculas pequeñas a través de lamembrana interna mitocondrial está mediado porproteínas transportadoras que atraviesan lamembrana y está dirigido por el gradienteelectroquímico. Por ejemplo, el ATP es exportadodesde las mitocondrias al citosol mediante untransportador que lo intercambia por ADP.El componente eléctrico del gradienteelectroquímico dirige este intercambio: el ATP tieneuna mayor carga negativa (-4) que el ADP (-3), por loque el ATP es exportado desde la matrizmitocondrial al citosol mientras que el ADP esimportado a la mitocondria. Por el contrario, eltransporte de fosfato (P,) y de piruvato estáacoplado a un intercambio de iones hidroxilo (OH);en este caso el componente de pH del gradienteelectroquímico dirige la exportación de ioneshidroxilo, acoplada al transporte de P, y piruvato alinterior de las mitocondrias.

QUIMIOSMOSIS Es la ultima etapa de la respiración celular.

Por la relación entre las reacciones que produce un enlace químicoque sintetiza ATP («quimio») y el proceso de transporte demembrana («osmosis»)

EFECTO DE INHIBIDORES Y DESACOPLANTES

Inhibidores: Molécula que interviene directamente en una parte dela cadena oxidativa

Se unen a alguna subunidad específica

Unión a un grupo proteico

Compiten con los donadores y aceptores de electrones

EFECTO DE INHIBIDORES Y DESACOPLANTES

Desacoplantes: Abaten el potencialelectroquímico

Introducen H+ o cargaspositivas hacia la matrizmitocondrial

Ejemplos: 2,4 Dinitrofenol(DNP) Trifluorocarbonilcianurohidrazona (FCCP)

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES Diversas enfermedades degenerativas del envejecimiento, entre

ellas las enfermedades del Parkinson y Alzheimer, se han atribuido adefectos mitocondriales.

Diversas enfermedades son el resultado de mutaciones puntuales deDNAmt que afecta los RNAt a uno de los genes estructurales.

Se heredan de la madre.

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES Generalmente las enfermedades mitocondriales conducen a una

menor actividad de la cadena transportadora de electrones y enconsecuencia se acumulan piruvato y ácidos grasos, lo que conducea acidosis láctica y acumulación de triagliceroles. Además lavelocidad de síntesis de ATP disminuye, lo que produce debilidadmuscular e intolerancia al ejercicio.

NEUROPATÍA ÓPTICA HEREDITARIA DE LEBER (LHON) La primera enfermedad mitocondrial que se

elucidó a nivel molecular fue la neuropatía ópticahereditaria de Leber (LHON). Esta enfermedad, quese transmite por vía materna, afecta al sistemanervioso central; incluidos los nervios ópticos; yproduce una ceguera de aparición repentina aprincipios de la edad adulta debido a la muerte delnervio óptico. En casi todas las familias, la LHON esel resultado del cambio de una única base en losgenes mitocondriales del Complejo I (ND1, ND4 yND6), lo que conduce a una menor actividad de laNADH-ubiquinona oxidorreductasa (Complejo I)

La gravedad de las enfermedades debidas amutaciones en el DNA mitocondrial (mtDNA)depende del contenido de mtDNA mutadopresente en una célula o tejido determinados. Lapresencia de cientos o miles de mitocondrias encada célula permite porcentajes diferentes demtDNA mutado en un tejido como consecuencia dela distribución al azar del mtDNA mutante en lascélulas hijas durante la división celular. Cuanto másmtDNA mutante haya en un tejido, tanto mayores

serán los efectos deletéreos sobre las funcionesmitocondriales, especialmente la producción deenergía. Un ejemplo es la LHON que resulta de unamutación puntual en el gen de la ND6 que sustituyeuna alanina conservada por una valina. Lospacientes con un menos porcentaje de mtDNAmutante desarrollan la ceguera de apariciónrepentina al principio de la edad adulta y otrossíntomas típicos de la LHON.

Los pacientes con un mayor porcentaje de mtDNAmutante que contienen la misma mutacióndesarrollan distonía, una enfermedad gravecaracterizada por la aparición temprana dedesorden motriz generalizado, deterioro del habla yretraso mental. Esto indica la dificultad de hacergeneralizaciones acerca de enfermedades debidasa mutaciones específicas en el mtDNA.

MIOPATÍAS MITOCONDRIALES DEBIDAS A MUTACIONES EN GENES DE tRNA

Mutaciones puntuales en genes que codifican tRNAmitocondriales dan lugar a dos de lasenfermedades mitocondriales más frecuentes quese caracterizan por anomalías del sistema nerviosocentral así como miopatía mitocondrial con fibrasrojas desgarradas, una asociación conocida comoEncefalomiopatía. Una mutación en el gen deltRNA de lisina produce la epilepsia mioclónica yfibras rojas desgarradas (MERRF, del inglésMyoclonic epilepsy and ragged red fibers)

Entre los síntomas se cuentan mioclonía y ataxiacon ataques generalizados y miopatía. Losmúsculos esqueléticos de los pacientes con MERRFtienen mitocondrias con formas anormales quecontienen estructuras paracristalinas denominadasfibras rojas desgarradas y actividad citocromo coxidasa disminuida.

La mutación en el gen mitocondrial del tRNA deleucina da lugar al más complejo de todos losdefectos debidos al mtDNA: La mutación comúnMELAS que produce Encefalomiopatía

mitocondrial, acidosis láctica y una actividad tipoapoplejía. El músculo esquelético de los pacientescon MELAS tiene fibras rojas desgarradas peroretiene la actividad citocromo c oxidasa. Lagravedad de los síntomas observados en pacientescon la mutación en el tRNA varía con el porcentajede DNA mitocondrial que contiene el gen de tRNAmutante.

Los pacientes con más del 85% de genes mutantespresentan los síntomas del sistema nerviosocentral antes descritos más graves, mientras quelos pacientes con 05-30% de genes mutantes amenudo padecen diabetes mellitus y sorderaheredadas por vía materna. La consecuenciabioquímica de estas dos mutaciones del tRNA es lasíntesis proteica mitocondrial deteriorada que llevaa actividades disminuidas del complejo I y de lacitocromo c oxidasa. La explicación sobre losdiferentes fenotipos de los individuos afectadoscon mutaciones similares constituye un reto quedebe afrontar la comunidad que investiga sobre lasmitocondrias.

INTOLERANCIA AL EJERCICIO EN PACIENTES CON MUTACIONES EN EL CITOCROMO b

En 1993 se describió el primer caso de una mutación enel citocromo b que daba lugar a una actividaddisminuida del complejo citocromo bc1 en un hombrede 25 años que presentaba intolerancia al ejercicio. Lamutación en el gen del citocromo b implicaba lasustitución de una glicina conservada en la posición 290por un residuo aspartato.

Posteriormente se demostró que pacientes consíntomas parecidos de intolerancia progresiva alejercicio y debilidad con actividad del complejo bc1disminuida presentaban mutaciones en el gen delcitocromo b con la sustitución de una glicina conservadaen la posición 339 por un glutamato. Y una glicinaconservada en la posición 34 por una serina. Másrecientemente se demostró que un paciente concardiopatía hipertrófica grave tenía una mutación en elgen del citocromo b en el que una glicina conservada enla posición 166 era sustituida por un glutamato. Lasmutaciones de glicina aspartato y glutamato selocalizaron en la proteína del citocromo b próxima alsitio Q para la oxidación del ubiquinol, mientras que lamutación de glicina a serina se localizaba cerca del sitioQ de reducción de la ubiquinona

Todas estas mutaciones del citocromo b implican unatransición de guanina a adenina en el mtDNA, lo que

sugiere que la mutación podría haber ocurrido por dañooxidativo. Además, en cada una de las mutaciones consentido erróneo se reemplaza una glicina conservadapor una molécula cargada mayor, lo que puede alterarde manera significativa la estructura del citocromo b,que lleva a una actividad catalítica menor, tal como seobservó en el complejo bc1.

Se han identificado en el gen del citocromo b otrasmutaciones sin sentido con la consecuencia de lasíntesis de citocromo b truncado, así como mutacionesque implican deleciones de 4 a 24 pares de bases delmtDNA. Estas mutaciones sin sentido y de deleciónconducen frecuentemente a intolerancia al ejerciciograve, acidosis láctica en estado de reposo yocasionalmente, mioglobulina debida a la actividaddisminuida del complejo bc1

A diferencia de la mayoría de las mutaciones en elmtDNA, las mutaciones identificadas en el gen delcitocromo b no se heredan por vía materna. Además, lamayoría de estas mutaciones solo se expresan entejidos musculares, lo que sugiere que las mutacionesidentificadas en el gen del citocromo b son somáticas ytienen lugar durante la diferenciación en la capagerminal de las células madre miogénicas.

APOPTOSIS Muerte celular programada las células que ya no son necesarias

pueden suicidarse mediante la activación de muerte celulardenominada muerte celular programada.

DURANTE LA APOPTOSIS Los cromosomas se fragmentan como resultado de la rotura de los

nucleosomas.

La cromatina se condensa.

El núcleo se rompe en trozos.

La célula se encoje y rompe en fragmentos rodeados por membranasdenominados cuerpos apoptóticos.

Finalmente son fagocitados por macrófago.

IMPORTANCIA Permite el equilibrio para la división celular.

Mantiene constante el número de células de aquellos tejidossometidos a un continuo recambio celular.

Actúan como medio de defensa mediante el que las célulasalteradas peligrosas son eliminadas.

Aquellas que presentan ADN alterado.

CASPASAS Son los efectores de la

muerte celular programada,produciendo la ruptura delas proteínas.

(b) Señal de muerte: Cuando una célula recibe una señal de muerteCed-9 se inactiva y desaparece la inhibición sobre Ced-3 y Ced-4.Ced-3 activa desencadena una cascada de reacciones queconducen a la activación de nucleasas y proteasas. La acción deestas enzimas determina los cambios observados en las célulasapoptósticas y, en definitiva, la muerte de la célula

(a) Sin señal de muerte: Mientras Ced-9,que se encuentra en la membranamitocondrial externa, esté activa; seinhibe la apoptosis y la célula permaneceviva

Receptores de muerte celular : factor de necrosis tumoral (TNF) y elligando FAS.

CASPASA 8 mantiene en la superficie proteínas que contienendominio de muerte.

El programa de muerte celular esta regulado por la familia deproteínas intracelulares Bcl2 (algunas generan el proceso y otrasactivan el proceso).

COMPLEJO DE ACTIVACIÓN El complejo esta constituido por la caspasa 9, Apaf-1 y el citocromo

c. Muchos de los estímulos que conducen a la muerte celularprovocan un daño en la mitocondria y la liberación del citocromo c ala citosol.

En el citosol el citocromo c puede formar un complejo con la caspasa9 y el Apaf1 lo que lleva a que la caspasa 9 se inactive y lleve a lamuerte celular.