Tema 11 Mitocondris

T1

1. M

ito

co

nd

ris

11. Mitocondris

11.1. Estructura i divisió

11.2. Transport de proteïnes mitocondrials

11.3. Composició de membranes i compartiments mitocondrials

11.4. Obtenció d’energia dels nutrients

11.4.1. Metabolisme aeròbic i anaeròbic durant l’exercici

11.4.2. Oxidació de metabòlits dins els mitocondris

11.4.3. Reaccions de la cadena respiratòria

11.4.4. Fosforilació oxidativa

11.4.5. Desacoblament del transport d’electrons i la síntesi d’ATP

11.5. Sistema genètic dels mitocondris

11.5.1. Herència mitocondrial

Psychotic mitochondria, Odra Noel (pintura sobre seda)

11.1. Estructura i divisió

Localització dels mitocondris

Mitocondris

Microtúbuls

Mitocondri de forma interna típica (crestes). T1

1. M

ito

co

nd

ris

0,5-1μm

15-20% volum cel

~500 mitocondris/cèl.

Mitocondris a cèl.lules de múscul cardíac Mitocondris

d’espermatozoide

Crestes paral·leles a mitocondri

de múscul esquelètic

11.1. Estructura i divisió T

11

. M

ito

co

nd

ris

Mitocondris fixes

Moviments mitocondrials a llevat

Mitocondris

11.1. Estructura i divisió T

11

. M

ito

co

nd

ris

Mitocondris mòbils

T1

0. M

itocondri

s

IMPORTACIÓ PROTEÏNES MITOCONDRIALS:

1- Seqüència senyal d’importació a mitocondri

2- Només es poden importar proteïnes desplegades

3- La translocació de proteïnes a la matriu té llocs per punts

concrets on la MME i la MMI estan molt properes

11.2. Proteïnes mitocondrials

95% proteïnes mitocondrials són importades des del citosol

T1

1. M

ito

co

nd

ris

T1

0. M

itocondri

s

11.2. Proteïnes mitocondrials T

11

. M

ito

co

nd

ris

20-80 aà

3,6 aa / volta

Hidrofòbic

Seq. de direccionament a la matriu mitocondrial

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hidrofòbic

Hèlix α amfipàtica

IMPORTACIÓ A MATRIU MITOCONDRIAL (1 SEQ S)

XAPERONES CITOSÒLIQUES:

- MSF (Mitochondrial-import Stimulating Factor)

- Hsp70, Hsp90

XAPERONES i XAPERONINES DE LA MATRIU M:

-Hsp70 mitocondrial, Hsp60


11

. M

ito

co

nd

ris

TOM= Translocase of OUTER Membrane

TIM= Translocase of INNER Membrane

FACTORS QUE PERMETEN LA

TRANSLOCACIÓ:

ATP

Gradient EQ de H+

Xaperones mitocondrials

EIM

MM

T1

0. M

itocondri

s

IMPORTACIÓ A ESPAI INTERMEMBRANA (2 SEQ S)


11

. M

ito

co

nd

ris

IMPORTACIÓ A MMI (1 SEQ S + 1 ó més seq hidrofòbiques START/STOP)


11

. M

ito

co

nd

ris

IMPORTACIÓ A MME (1 SEQ S + 1 ó més seq hidrofòbiques START/STOP)

11.2. Proteïnes mitocondrials

Barril β (porines,

TOM 40)

Hèlix α (receptors)

Schmidt et al (2010), Nat Rev, Molec Cell Biol 11:655-667

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Cardiolipina Porines

MME MMI

• Membrana mitocondrial externa (MME):

Permeable: porines (mol ≤5000 Da, H+)

• Espai intermembrana (EIM): Composició semblant

citosol

• Matriu mitocondrial (MM):

Enzims cicle Krebs i β-oxidació àcids grassos

DNA, mRNA, tRNA i ribosomes

• Membrana mitocondrial interna (MMI):

Impermeable: cardiolipina (impermeable als ions)

Complexes ATP sintetasa

Transportadors electrons

Proteïnes de transport piruvat, ATP i ADP

Transport de FL a mitocondris

11.3. Composició de membranes i compartiments T

11

. M

ito

co

nd

ris

11.4. Obtenció d’energia dels nutrients

FUNCIONS:

1- METABOLISME ENERGÈTIC: Generador d’E de la cèl·lula: ús de glucosa, lípids i O2

per produïr ATP

2- ALTRES:

-Síntesi d’aa i de grups hemo-

-Metabolisme del Ca2+

(junt amb REL)

-Apoptosi o mort cel·lular programada

T1

1. M

ito

co

nd

ris

FUNCIÓ: Generador d’E de la cèl·lula: ús de glucosa, lípids i O2 per produir ATP

FOSFORILACIÓ OXIDATIVA: Amb mitocondris/O2 la Glu piruvat, que s’oxida

fins a CO2 30x ATP

Els mitocondris fan acoblament quimiosmòtic: síntesi d’ATP acoblat al transport d’e- a la

membrana mitocondrial

FERMENTACIÓ: Sense mitocondris/sense O2, la glucosa només s’oxida fins a

piruvat (GLUCÒLISI) 2x ATP. Després, aquest és fermentat fins a lactat

regeneració NAD+

11.4. Obtenció d’energia dels nutrients METABOLISME ENERGÈTIC

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Lipids/

2- Cadena respiratòria (mb mitocondrial interna) FADH2

NADH + O

2

Transport e-

Bombeig H+

FAD

NAD+

+ H2O

3- Fosforilació oxidativa (mb mitocondrial interna) Síntesi d’ATP

1- Oxidacions de metabòlits (a la matriu mitocondrial) Àcids grassos

Piruvat CO

2

NADH

FADH2

11.4.2. Oxidació de metabòlits als mitocondris T

11

. M

ito

co

nd

ris

CITOSOL:

Monosacàrids (glucosa)

Midó (plantes)

Glucògen (grànuls glucògen a citosol) gluconeogènesis

Triacilglicèrids (gotes lipídiques a citosol) Lípids

Adipòcit

Quantitativament, quina

reserva és més important?

Triacilglicèrid

Grànuls de midó

11.4. Obtenció d’energia dels nutrients T

11

. M

ito

co

nd

ris

ORDRE DE MOVILITZACIÓ RESERVES

1- GLUCÒGEN propi

2- LÍPIDS propis +

GLUCÒGEN hepatòcits

3- LíPIDS txt adipós

11.4. Obtenció d’energia dels nutrients T

11

. M

ito

co

nd

ris

CITOSOL

(Glucògen ) Glucosa

(6C)

2 Piruvat

(2x3C)

2xNADH

4xATP

2xATP

GLUCÒLISI

2xATP

2xNADH

Triacilglicèrids 3x Àcids grassos

GLUCÒLISI

https://www.youtube.com/watch?v=hDq

1rhUkV-g

1) OXIDACIÓ DE METABOLITS A LA MATRIU MITOCONDRIAL

Glucosa

Glucòlisi

Piruvat

Piruvat

CO2 NADH

Acetil CoA

Cicle de l’àcid

cítric o de

Krebs (matriu

mitocondrial)

2 CO2

3 NADH

1 FADH2

1 GTP

CITOSOL

MATRIU

MITOCONDRIAL

[3xC] [2xC]


11

. M

ito

co

nd

ris


Cicle de l’àcid cítric o de Krebs

Per cada acetil CoA: 2 CO2 3 NADH 1 FADH2

1 GTP

11.4.2. Oxidació de metabòlits als mitocondris

Àcids grassos

Piruvat CO

2

NADH

FADH2

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Per cada glucosa?

Acilgras CoA

(llarg, cada 2 C)


SH CoA

-oxidació

Àc grassos

Àc grassos

FADH2

Acetil CoA

Cicle de l’àcid

cítric o de

Krebs (matriu

mitocondrial)

2 CO2

3 NADH

1 FADH2

1 GTP

CITOSOL

MATRIU

MITOCONDRIAL

NADH

-oxidació dels àcids grassos


11

. M

ito

co

nd

ris


FADH2

NADH + O

2

Transport e-

Bombeig H+

FAD

NAD+

+ H2O

2) CADENA DE TRANSPORT D’ELECTRONS O CADENA RESPIRATÒRIA (MMI)

Productes del cicle de Krebs

(per cada Acetil CoA):

2 CO2 rebuig

3 NADH

1 FADH2

1 GTP energia

T1

1. M

ito

co

nd

ris


NADH NAD+ +1H

+ +2e

-

NADH+H NAD+ +2H

+ + 2e

-

FADH2 FAD + 2H

+ +2e

-

H2 2H

+ + 2e

-

O2 és el millor agent OXIDANT. En capturar

electrons H2O

2e- + 2H

+ +½O

2 H

2O

Productes del cicle de Krebs:

2 CO2 rebuig

3 NADH

1 FADH2

1 GTP energia

AGENT REDUCTOR= element que

subministra e- al medi. En fer-ho s’OXIDA

PARELLS REDOX= agent reductor + agent oxidant

NADH agent reductor FORT

NAD+ agent oxidant DÈBIL

H2O agent reductor DÈBIL

O2 agent oxidant FORT

Potencial redox dels transportadors de la cadena respiratòria

+

_

Potencial REDOX = afinitat pels e-

AGENT OXIDANT= element que captura e- del

medi. En fer-ho es REDUEIX

NADH és un potent donador d’e-.

11.4.3. Reaccions de la cadena respiratòria T

11

. M

ito

co

nd

ris

NADH és un potent DONADOR d’e-. Els seus e

- es mantenen en un enllaç d’alta E. El

canvi d’E generat en cedir-los bombeig de H+ cap a l’espai intermembrana

formació d’un gradient de H+

NADH NAD+ +1H

+ +2e

-

FADH2 FAD + 2H

+ +2e

-



http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw

http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw



CX CITOCORM OXIDASSA

-1X ÀTOM DE Cu2+

-2x citocroms2x –hemo = 2x Fe3+

CIANUR

L’energia alliberada pels e- disminueix a mida que avancen per la cadena

respiratòria. El potencial REDOX, en canvi, augmenta



206 kJ

T1

1. M

ito

co

nd

ris

11.4.4. Fosforilació oxidativa T

11

. M

ito

co

nd

ris

1- LLANÇADORA DEL GLICEROL 3-FOSFAT

TRANSPORT DE NADH de la

glucòlisi (citosol) a la MM

GLUCÒLISI (citosol)

G3PDH


11

. M

ito

co

nd

ris

2- LLENÇADORA DE MALAT-ASPARTAT

Malat deshidrogenasa Transportador malat/α-cetoglutarat

Aspartat aminotransferasa Transportador glutamat/aspartat

3) FOSFORILACIÓ OXIDATIVA (SÍNTESI D’ATP) (MMI)

Pas de protons a favor de gradient a través de l’ATP sintetasa acoblat a la síntesi d’ATP

FOSFORILACIÓ OXIDATIVA: es fosforila un ADP després d’haver oxidat una sèrie de

substrats (NADH, FADH2)

Síntesi d’ATP


11

. M

ito

co

nd

ris

3) FOSFORILACIÓ OXIDATIVA (SÍNTESI D’ATP) (MMI)

L’ATP sintetasa funciona com una turbina

ATP SINTETASA o F0F

1 ATPasa síntesi d’ATP

Família de les ATPases tipus F (MMI, mb til·lacoidal, mb plasmàtica procariotes)

Proteïna amb subunitats, >500.000 Da

Transforma E mecànica (rotació F0) E química (síntesi ATP a F

1)

ATP SINTETASA: >100 ATP/s (~3ATP/revolució) i fan falta 3-5H+/molècula d’ATP


Estructura de l’ATP sintetasa ó F0F

1 ATPasa

Ratio ATP:ADP citosol = 10:1

Ratio ATP sintetasa f(x) + ràpid

(esport: oxidació greixos i sucres 5-10x + ràpid)

Ratio aturada transport e-

GRADIENT INVERS: ATP sintetasa pot f(x)

hidrolitzant ATP (ATPasa)

http://www.youtube.co

m/watch?v=BGU-

g4IYD7c

T1

1. M

ito

co

nd

ris

NADH 2e- 2,5 ATP* (CK)

NADH 2e- 1,5 ATP (Glucòlisi)

FADH2 2e- 1,5 ATP


POWERING THE CELL: MITOCHONDRIA

http://www.youtube.com/watch?v=RrS2uROUjK4

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Mitocondris adipòcit bru

Tª Tª

Cold-Activated Brown Adipose Tissue in Healthy Men

Wouter D et al. (2009). The New England Journal of Medicine

DESACOBLANT NATURAL: Termogenina del teixit adipós marró / bru

Teixit adipós bru

2-4-dinitrofenol

-Reducció pes

-Tª corporal

-sudoració

- gana

-palpitacions

-col·lapse…

DESACOBLANT ARTIFICIAL

ALTRES FUNCIONS DEL GRADIENT DE H+: desacoblament del

transport d’electrons i la sítesi d’ATP per generar CALOR

11.4.5. Desacoblament del transport d’e- i la síntesi d’ATP

T1

1. M

ito

co

nd

ris


El gradient de H+ té un component

químic (més petit) i un component

elèctric (més gran)

Matriu mitocondrial: bàsic (H+) i

més negatiu (-140mV) que el

citosol cel·lular

TRANSPORT D’ALTRES MOLÈCULES:

-Piruvat (TAS piruvat/H+) - GQ

-Pi (TAS Pi/H+) - GQ

ATP/ADP (TAS ADP/ATP) -GE

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Estructura Q de l’ATP


11

. M

ito

co

nd

ris

Múscul esquelètic: dos tipus diferents

de cèl·lules musculars

FIBRES CONTRACCIÓ RÀPIDA (Type IIb):

-Més clares

-Esforç ràpid i poc sostingut

-Molt denses (molts sarcòmers)

FIBRES CONTRACCIÓ LENTA (Type I):

-Més fosques

-Esforç lent i sostingut

-Menys denses (menys sarcòmers)

En quines fibres hi

haurà MÉS mitocondris?

FERMENTACIÓ: absència d’O2/mitocondris (cèls musculars)

Piruvat Lactat (NADH NAD+)

Lactat s’exporta a fetge Glucosa

15x MENYS eficient que la fosforilació oxidativa

LLEVATS: etanol + CO2 (pa, cervesa, vi, etc)

http://w

ww

.youtube.com

/w

atch?v=jJvA

L-iiLnQ

T1

1. M

ito

co

nd

ris

11.4.1 Metabolisme aeròbic i anaeròbic durant l’exercici

FACTORS QUE

DETERMINEN EL

TIPUS FIBRA

-Tipus múscul

-Factors genètics

-Hàbits esportius

-Edat/Sexe/Raça?

T1

1. M

ito

co

nd

ris

11.4.1 Metabolisme aeròbic i anaeròbic durant l’exercici

TIPUS I TIPUS II

SISTEMA GENÈTIC DELS MITOCONDRIS

DNA

Mit

16.500 bp

1 O.R.

37 gens (vs N:205-25

5)

22 gens tRNA

2 gens rRNA

13 gens mRNA

. Petit

. Sense introns

. Sense seq repetitives

. Vàries còpies (2-10)

Euglena gracilis


95% proteïnes mitocondrials

són importades des del

citosol

T1

1. M

ito

co

nd

ris


http://www.mda.org/publications/mitochon

drial_myopathies.html

- Afectació desigual a la descendència

- Heteroplàsmia

INCIDÈNCIA: 1:3000 – 1:4000 nascuts (USA) (~fibrosi cística)

Moltes presentacions diferents i diferents graus d’afectació

Especialment afectats els gens que codifiquen pel RNAt mit

T1

1. M

ito

co

nd

ris


37 gens

2 regions hipervariables (HV1 i HV2)

1- Biologia Evolutiva

2- Establir relacions de

parentiu per línia materna

PROS:

1-Quantitat mitDNa vs nDNA

2-No es recombina

3-Té una ratio elevada de

substitucions (1ntd), sobretot a les

zones HV1 i HV2

CONTRES:

Restringit a la línia materna

-Desapareguts guerra civil espanyola

(http://www.sc.ehu.es/scrwwwsr/Medicina-

Legal/berlangas/exhumacion%20en%20Berlangas%20de%20Roa

.htm)

-Desapareguts dicatadura Argentina

(http://www.afamse.org.ar/abuelas_de_plaza_de_mayo.htm)

T1

1. M

ito

co

nd

ris


Arbre genealògic de la Tsarina Alexandra

IDENTIFICACIÓ DE LES RESTES DE LA

FAMÍLIA ROMANOV

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Anàlisi del cromosoma Y

Mateixa variant C-T a la

regió HV1:16111

7.49 = Sample from Tsarina

Alexandra,

146.1 = Sample from Alexei,

5.21 = Sample from Tatiana

Anàlisi DNAmit

Les set filles d’Eva (Bryan Sykes): Al món existeixen al voltant de 36 clans femenins

provinents d’un ancestre comú (dona) que va viure fa 200.000 anys. En el cas europeu hi ha 7

clans femenins, i les fundadores d’aquests clans europeus van viure a Europa des de fa uns

45.000 anys (Úrsula) fins fa uns 8.500 anys (Jasmine).


Clans europeus: Úrsula, Xènia, Helena,

Tara, Jasmin, Velda, Katrine, Ulrike Distribució de l’haplotip H a Europa

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Mitochondrial DNA and human evolution (1987) Cann et al, Nature 325, 31 – 36

Mitochondrial DNAs from 147 people, drawn from five geographic populations have been analysed by

restriction mapping. All these mitochondrial DNAs stem from one woman who is postulated to have lived

about 200,000 years ago, probably in Africa.

Biologia Evolutiva

Al finalitzar les sessions teòriques, l’alumne serà capaç de:

Descriure les característiques bàsiques dels mitocondris

Enumerar els diferents compartiments mitocondrials i descriure les seves característiques i funcions

Descriure el mecanisme bàsic d’importació de proteïnes solubles i de membrana als diferents compartiments

mitocondrials

Enumerar les diferents funcions mitocondrials

Descriure les etapes bioquímiques de glucosa i àcids grassos fins a acetil-CoA i el cicle de Krebs

Explicar el procés bàsic de la cadena respiratòria

Enumerar els diferents complexes proteics involucrats en el transport d’electrons

Enumerar els processos regulats pel gradient electroquímic de protons a través de la MMI

Explicar el mecanisme de síntesi d’ATP i les característiques morfo-funcionals de l’ATP sintasa

Descriure els diferents transports actius de molècules a través de la MMI

Explicar el mecanisme de producció de calor

Enumerar les característiques del genoma mitocondrial

Enumerar les característiques de l’herència mitocondrial

OBJECTIUS

Referències de les imatges utilitzades en aquest tema i que no disposen de referència individual:

- Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. (2007). Molecular Biology of the Cell. 5th Edition.

Editorial: Garland Science.

- Lodish H, Berk, Kaiser, Krieger, Scott, Bretscher, Ploegh, and Matsudaira (2008) Molecular Cell Biology. 5th

& 6th Edition. Editorial: W. H. Freeman

-Cooper GM, HausmanThe Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Cooper GM. Sunderland (MA): Sinauer

Associates; 2000.

-Becker, Kleinsmith, Hardin (2005). The world of the cell. 6th Ed. Editorial: Pearson (Benjamin Cummings)

T1

1. M

ito

co

nd

ris

Tema 11 Mitocondris

Documents

Transcript of Tema 11 Mitocondris