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BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

FACULTAD DE MEDICINA HUMANADEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS

BÁSICAS MÉDICAS

Septiembre 2011

Organelas Bioenergéticas:Mitocondrias y

cloroplastosBlga. Milagros Quintana Cáceda, MSc.

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• Organelas bioenergéticas:Mitocondria y cloroplasto.Morfología y funciones.

Semana 6

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Organelas bioenergéticas

Mitocondrias CloroplastosAnimales

Vegetales

Matriz

Proteínastransmembrana

Porina

Crestasmitocondriales

ATP-sintetasaTransportadoresde electrones

ATP

ADN mitocondrial

Mitorribosomas

Enzimas

Procesosmetabólicos

Biosíntesisproteínas

Ciclo deATC

oxidaciónac. grasos

Proteínastranslocadoras

EstromaTilacoides

ADNplastidial

Plastorribosomas

EnzimasPigmentos

fotosintéticos

Energíaluminosa

Fotosíntesis

MembranaMitocondrial externa

MembranaMitocondria interna

MembranaPlastidial interna

MembranaPlastidial externa

Grana

Como laabsorbenla

posee

Clorofila Carotenoidesliberan

son

presentes en

presentes enformadas por

contiene

rea l

iza n

com

o real

izan

l a

posee presenta

contienen

lospequeñosforman la

pose

en

comobase pararealizar la

cont

iene

formados por

real

izan

l a

dondese

sintetiza

inte

rvie

nen

en la

Quimiósmosis

mediante

contiene

Cadenarespiratoria

seencuentran

en la

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MitocondriasBlefaroplasto, condrioplastos, condriosomas, gránulos fucsinofílicos, mitogel, cuerpos parabasales, vermículas, sarcosomas, cuerpos intersticiales, plasmosomas, plastocondrios, bioblastos, etc.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 celularDesplazamiento asociado a los microtúbulosPueden formar largos filamentos o cadenas móviles.Posee un sistema genético propio.

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Tamaño:• Longitud: 0.5 – 10 μm• Diámetro: 0.5 – 1 μmN◦/célula: 1 – 1000Condrioma celular: conjunto de mitocondrias en la célula. Ejm. Hepatocito de 1000 – 2000 mitocondrias (1/5 del volumen celular).Estructura:• Membrana interna (Crestas)• Membrana externa• Espacio Intermembranoso• Matriz

Mitocondria: Estructura y Composición

Composición Molecular: Proteínas y fosfolípidos de las membranas son muy diferentes.

BCM: Clase 7 6

ATP Sintasa(F0F1)Cresta

Membrana Externa (bicapa lipidica)• 50% de proteínas, 50% lípidos• Permeable a iones, moléculas 5Kd (metabolitos,

polipéptidos)• Contiene enzimas implicados en síntesis de lípidos.

• Contiene:80% proteínas, 20% lípidos de los cuales 10%

es cardiolipinaTransportadores de la cadena de electrones

(Complejo I-IV)Otros Transportadores de membrana.Traslocasa ADP-ATPATP Sintasa (F0F1)

MatrizContiene:•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+

•Muchos intermediarios metabólicos solubles

Ribosomas

Canales PorinaEspacio IntermembranosoContiene Citocromo cEnzimas dependientes de ATP para fosforilar otros nucleótidos.

Difosfatidilglicerol (DPG)

Cardiolipina

Membrana Interna (altamente selectiva)• Impermeable a moléculas 5 Kd y iones, incluido H+

VDAC

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Mitocondria: Funciones

Integración del metabolismo de los azúcares

Oxidación del piruvatoCiclo de los ácidos tricarboxilicos (ATC)Metabolismo de los aminoácidosMetabolismo de los ácidos grasos y esteroidesRespiración celularProducción de la EnergíaTermogénesis

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Vías Metabólicas en la Mitocondria

ANT= Translocador adenina nucleótidoCACT= Translocasa carnitina acilcarnitinaCPT= Carnitina palmitoil transferasaDIC= Transportador de DicarboxilatosETF= Flavoproteína transportadora de electronesETF-DH= deshidrogenasa transportadora de electronesPDHC= Complejo Piruvato deshidrogenasaTCA= Ácidos Tricarboxílicos (Ciclo Krebs)

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NADH y NADH deshidrogenasa

10 unidades de isoprenos en mamíferos y 6 unidades en bacterias.

Acepta electrones del NADH y del Succinato

Complejos Multiproteícos del Transporte de electrones en la Cadena Respiratoria

Succinato Deshidrogenasa (Complejo II)

Coenzima Q Oxido-reductasa y

Citocromo c reductasa

(Complejo III)

Citrocomo Oxidasa

(Complejo IV)

COENZIMA Q:

Fo-F1 ATP sintasa (Complejo V)

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Complejos Multiproteícos en el ensamblaje respiratorio

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Determinación del Transporte de Electrones

de la Cadena Respiratoria

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Translocación de protones a través del

gradiente de la membrana interna

mitocondrial

NAD+

NAD+

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QuimiosmosisEs 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 la gradiente de concentración, desde que este es un proceso exergónico

Membrana externa

Membrana interna

ATP

H+MatrizQuimiosmosis

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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, movimiento intracelular de organelas y cromosomas.

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Síntesis de ATPHay muchas vías metabólicas por la cuál células de organismos heterotróficos pueden sintetizar ATP.

MECANISMO:Fosforilación a nivel

de sustrato (Glucólisis y Creatina fosfato)

Quimiosmosis

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TermogénesisCapacidad 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.)

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Rotación del flagelo bacteriano

Gradiente de protones a través de la membrana plasmática es utilizada para:

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

Flagelo Espacio Extracelular

Citoplasma

Membrana bacteriana externa

Membrana bacteriana interna(Membrana plasmática)

Bomba de protonesEstativo Proteico

Rotor Proteico

Motor flagelar girando a más de 100 revoluciones por segundo

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ADN MitocondrialADN 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 daltonsCadena 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 de la molécula de ADN.

BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 20

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 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 de la transcripción de las hebras pesada y ligera, respectivamente. OH y OL simbolizan los orígenes de replicación de la cadena pesada y ligera

Características Específicas de la Genética Mitocondrial

Localizado en un organelo citoplasmáticoHerencia maternaSegregación mitóticaAlta velocidad de mutaciónNo presenta intronesPoliplasmia (alto número de copias

16,569 pb

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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 proteínas

que participan en la fosforilación oxidativa

genes que codifican el complejo I de NADH deshidrogenasagenes que codifican el complejo IV de citocromo oxidasagenes que codifican el complejo V (ATP-sintasa)genes que codifican el complejo III (ubiquinona-citocromo b oxido-

reductasa)

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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.Adapted from Johns, DR: Mitochondrial DNA and Disease. The New England Journal of Medicine; 333: 638-644, 1995.

Órganos afectados por las patologías mitocondriales

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ORGANO AFECTACIÓN

CerebroRetraso 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.

Músculos Debilidad, hipotonía, calambres, dolor muscular.

RiñonesDesgasta 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.

PáncreasDiabetes y falla pancreatítica exocrina (incapacidad para generar encimas digestivas).

SistémicoIncapacidad para subir de peso, corta estatura, fatiga, problemas respiratorios incluyendo sofocamientos intermitentes.

Órganos afectados por las patologías mitocondriales

BCM: Clase 7 24

Factores:Naturaleza de la mutaciónGrado de heteroplasmiaRequerimientos energéticos del

tejidoCapacidad del tejido para

reparar el daño.

Enfermedades Mitocondriales

Pueden ser causadas por mutaciones puntuales:

sustitución, inserción o delección

En la base de secuencias codificadoras.

Las mutaciones que ocasionan enfermedades se indican con el número de la pareja de bases (p.e. MELAS 3243)

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Grupo Nombre de Enfermedad

Mutación en ADNmt

Gen Afectado

Característica de la enfermedad

Mutaciones Puntuales en

ADNmt

Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON)

G3460 AG11778 AT14484 C

ND1ND4ND6

Perdida visión central.Neuropatía periféricaAtaxia cerebral

Síndrome de Neuropatía, ataxia y retinoplastía pigmentaria (NARP)

T8993 G ATPasa 6 Debilidad muscular neurogénicaAtaxiaRetinitis pigmentosaDemencia

Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)

T8993 GT8993 C

ATPasa 6ATPasa 6

Retraso desarrolloDegeneración multisistémicaAtaxiaConvulsionesNeuropatía periférica.

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

A8344 GT8356 C

tRNALis

tRNALis

Epilepsia mioclónica.ConvulsionesMiopatíaDemenciaSorderaNeuropatía

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

A3243 GC3256 TT3271 CT3291 CT9957 C

tRNALeu

tRNALeu

tRNALeu

tRNALeu

CO III

Convulsiones generalizadas.Dolor de cabeza.SorderaDemencia

Diabetes de herencia Materna con sordera.

A3243 G tRNALeu Sordera

Reorganizaciones en el ADNmt

Síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson

Delección única Anemia macrocíticaMuerte

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

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Organelas bioenergéticas

Mitocondrias CloroplastosAnimales

Vegetales

Matriz

Proteínastransmembrana

Porina

Crestasmitocondriales

ATP-sintetasaTransportadoresde electrones

ATP

ADN mitocondrial

Mitorribosomas

Enzimas

Procesosmetabólicos

Biosíntesisproteínas

Ciclo deATC

oxidaciónac. grasos

Proteínastranslocadoras

EstromaTilacoides

ADNplastidial

Plastorribosomas

EnzimasPigmentos

fotosintéticos

Energíaluminosa

Fotosíntesis

MembranaMitocondrial externa

MembranaMitocondria interna

MembranaPlastidial interna

MembranaPlastidial externa

Grana

Como laabsorbenla

posee

Clorofila Carotenoidesliberan

son

presentes en

presentes enformadas por

contiene

rea l

iza n

com

o real

izan

l a

posee presenta

contienen

lospequeñosforman la

pose

en

comobase pararealizar la

cont

iene

formados por

real

izan

l a

dondese

sintetiza

inte

rvie

nen

en la

Quimiósmosis

mediante

contiene

Cadenarespiratoria

seencuentran

en la

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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, lípidos o almidón (leucoplastos) , o bien de pigmentos (cromoplastos).

PLASTOS

Los plastos se clasifican en: Leucoplastos, formados por una membrana; Cromoplastos, que almacenan pigmentos rojo, 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

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CloroplastoRealizan 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 interconversiones energéticas mediante mecanismos quimiosmóticos.

BCM: Clase 7 29

Cloroplasto

Grana

HojaEpidermis superior (haz)

Epidermis inferior (envés)

Membrana externa Membrana interna

Espacio Intermembrana

Membrana tilacoidal Espacio

tilacoidal

Grana

Estroma

Cadena de transporte de e-

Sistema de captación de luzATP sintasa

Altamente permeable (Porinas)

Menos permeableContiene proteínas de transporte. Delimita al estroma

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

Cloroplasto: Estructura

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Cloroplasto: FuncionesRealizar 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 ATP-sintasa 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, donde se halla el enzima Ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa oxidasa (RuBisCO), responsable de la fijación del CO2 mediante el Ciclo de Calvin.

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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En los cloroplastos, los pigmentos fotosintéticos (clorofila a, clorofila b y carotenoides) son encerrados en estructuras de membranas 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

Estroma

Fotosistema II Fotosistema I

Reacciones Fotosintéticas de transferencia de e-

Estroma

ADP + Pi

ATP

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 O2 es liberado.

BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 32

Variaciones de Potencial redox durante la fotosíntesis

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Reacciones de Fijación de Carbono

3 Moléculas de CO2 se fijan y dan una producción neta de 1 molécula de 3-fosfato y un costo neto de 9 moléculas de ATP y 6 moléculas de NADPH

Azúcares, Aminoácidos y Ácidos grasos

Ribulosa 1,5 diP compuesto rico en energía favorece la fijación del CO2.

Se requiere 2 NADPH y 3 ATPSe produce gliceraldehído 3-P

que puede transformar en Fructosa 6-P y glucosa.

Se forma Sacarosa que luego se transporta desde las hojas a toda la planta.

El gliceraldehído que se queda en el cloroplasto es transformado en almidón.

BCM: Clase 7Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 34

La fijación del CO2 ocurre en tres estados

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Reducción del 3PG

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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.

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Árbol filogenético de la probable evolución de los cloroplastos y mitocondrias