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Mitocondria
Estructura
Tamaño 0.7-1um de largo.
Forma. Variable, puede ser de
esférica a cilíndrica
Número y tamaño de crestas es
diferente dependiendo del tejido.
Ejemplo: Las mitocondrias en el
corazón en periodos de alta
actividad respiratoria tienden a
tener mayor superficie por cresta
que las mitocondrias del hígado
matriz crestas
Membrana externa e interna
Espacio intermembranal
Mitocondria la central productora de energía en la
célula
Es el lugar del metabolismo oxidativo en eucariotes:
Piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo del
ácido citrico, las enzimas que catalizan la oxidación
de los ácidos grasos y las enzimas y proteínas que
participan en los procesos de oxido reducción y la
fosforilación oxidativa.
Oxidación total de la glucosa
Voet & Voet, 1998
El piruvato es transportado a la
mitocondria.
1. Reacciones en la matriz
mitocondrial
2. Reacciones en la membrana
mitocondrial
Primera serie de reacciones de la oxidación
de la glucosa:
1. Ocurren en el citoplasma
2. Se invierte energía en forma de ATP
3. Se producen 2 moléculas de C3
4. Se produce ATP, a partir de fosforilación
a nivel de sustrato.
10%
energía
Sistemas de transporte en la mitocondria.
a. La membrana externa mitocondrial: Porinas
b. La membrana interna mitocondrial: transporte de cationes
monovalentes, de Ca2+, acarreadores de aniones y otros.
Acarreador Citoplasma Matriz Inhibidores
Translocador adenine
nucleotidos
ADP3- ATP4- Carboxiatractilosidos
Bongkrekate
Acarreador de fosfatos Pi- OH- Reactivos sulfidrilos
Dicarboxilatos Malato2- Pi2- Butilmalonato
Tricarboxilatos Citrato3- + H+ Malato2- 1,2,3,benziltricarboxilato
2-oxoglutarato 2-oxoglut2- Malato2- Fenilsuccinato
Glutamato aspartato Glu- + H+ Asp- -
Glutamato Glu- OH-
Piruvato Piruvato OH- Cianohidroxicinamato
Carnitina Acilcarnitina+ Carnitina+
Nicholls &Fergurson,1997
Transferencia de los electrones del NADH y FADH2 a otras sustancias, donde finalmente se reoxidan a NAD+ y FAD para seguir participando en más reacciones redox.
Los electrones transferidos participarán en la oxidación-reducción secuencial de +10 centros redox en 4 complejos enzimáticos, antes de reducir el O2 a H2O.
Durante la transferencia de los electrones, los H+ liberados por las coenzimas, serán expulsados de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, y creando una gradiente entre ambas. Finalmente, la ΔG de ésa gradiente electroquímica conducirá la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a través de la fosforilación oxidativa.
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Ciotocromos
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Acarreadores de electrones biológicos.
Liposoluble benzoquinona
Fe3+ Fe2+1e-
Detección del estado de oxido-reducción de los citocromos
Fierro-Azufre proteínas (arreglo geométrico)
Potenciales redox de los componentes respiratorios
Potenciales redox
OXIDACIÓN. Pérdida de hidrógenos o electrones
REDUCCIÓN. Ganancia de hidrógenos o electrones
Electrodo
e-e-
Fe3+ Fe2+
e- Fe2+ Fe3+ + 1e-
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Fe Fe2+ Cuo
oxidación: Fe → Fe2+ + 2e-
reducción: Cu2+ + 2e- → Cu
Par redox.Agente reductor y agente oxidante
Fe
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La capacidad de una molécula para recibir o donar electrones desde/hacia otra molécula.
Los e- son transferidos de un acarreador a otro:
A. El acarreador con el E más positivo es siempre el aceptor de electrones.
B. El acarreador con el E más negativo es siempre el donador de electrones.
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Acarreadores de electrones biológicos.
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Transferencia de electrones de cromóforos de Potencial redox negativo a positivo
E (mV)
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Los potenciales de oxidación son:
Las semireacciones son
Entonces el cálculo de energía es
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Aunque en condiciones normales en la mitocondria probablemente se necesiten de 10 a 12 Kcal/mol para sintetizar ATP
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G=-52,581 calorias/mol
El paso de 2 electrones genera la síntesis de 3
moléculas de ATP, sabemos que: GATP=7,300
calorias/mol, al X 3 nos da 21,900 calorias/mol,
El resto se libera en forma de calor.
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Complejo I: NADH ubiquinona oxidoreductasa
Complejo II: Succinato CoQ oxidoreductasa
Complejo III o complejo bc1: ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase
Complejo IV: Citocromo oxidasa
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Nombre NADH
Deshidrogenasa
NADH:ubiquinona
óxido-reductasa
Masa Molar 850 kDa
Subunidades
Proteicas
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Grupos
Prostéticos
FMN, centros Fe-S
Inhibidores Amital
rotenona
Pieridicina A
Reduce a la quinona y bomba protones
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Ubiquinol
Piericidin A
Rotenona
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Nombre Succinato
Deshidrogenasa
Masa Molar 140 kDa
Subunidades
Proteicas
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Grupos
Prostéticos
FAD, centros Fe-
S
Inhibidores
Complejo inusual: 1. No sólo forma parte de la cadena transportadora de electrones, también forma parte del ciclo de Krebs2. No es una bomba de protones
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Nombre Ubiquinona-
citocromo C oxido-
reductasa
Masa Molar 250 kDa
Subunidades
Proteicas
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Grupos Prostéticos Hemos, Fe-S
Inhibidores Antimicina A
Transfiere electrones desde QH2
(ubiquinol) a citocromo C, junto al transporte vectorial de protones (H+) desde la matriz al espacio intermembrana, por un proceso denominado Ciclo Q.
Ciclo Q: modelo de paso de electrones y protones a través del Complejo III, en 2 Ciclos. La esencia del ciclo Q es que QH2
pasa por una reoxidación bicíclica en donde QH (semiquinona) será un intermediario estable.
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Nombre Citocromo
Oxidasa
Masa Molar 160 kDa
Subunidades
Proteicas
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Grupos
Prostéticos
Hemos, CuA, CuB
Inhibidores CN- (cianuro)
Monóxido de
Carbono
Molecular structure of the core of the cytochrome coxidase complex in the inner mitochondrial membraneMitochondrial cytochrome c oxidases contain 13 different subunits, but the catalytic core of the enzyme consists of only 3 subunits: I (yellow) II (blue), and III (pink). Hemes aand a3 are shown as blue and red space-filling models, respectively, and the copper atoms are green. (1996, Science 272:1136; )
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Transporta electrones desde el citocromo C a O2(Oxígeno molecular) formando H2O.
Por cada 4 electrones que pasan por el complejo, la enzima consume 4H+ de la matriz, reduciendo el O2 en H2O, y usa la energía de ésta reacción pasando un H+ al espacio intermembrana por cada electrón que pasa por ella.
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10H+
6H+
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Fuerza protón motriz
Siendo 5 Kcal/mol por cada protón esto quiere decir que el paso de al menos 3 protones nos daría la energía de 12 Kcal/mol necesarias para la síntesis de 1 molécula de ATP. En la realidad se necesitan 4 protones
Por lo que de 1mol NADH
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Medición de la respiración en presencia de inhibidores
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Utilización de oxígeno y ADP al oxidar sustratos.
Relación producción ATP y consume de Oxígeno
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Demostraron que en ausencia de F0 la enzima realizaba la hidrólisis del ATP
En presencia de membrana y unidas F0 a F1 llevaba a cabo la síntesis del ATP
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Premio Nobel de Química
1978
Acoplamiento quimiosmótico
1961 Peter Michel propuso la hipótesis
quimiosmótica
1. NO EXISTE un intermediario fosforilado
de alta energìa que transfiere su fosfato
al ADP
2. POSTULÓ un estado de alta energía
GRADIENTE ELECTROQUÍMICO DE
PROTONES A TRAVÉS DE LA
MEMBRANA
3. Una enzima disipa el gradiente: la
ATPsintasa como la enzima que
transloca protones para llevar a cabo la
síntesis de ATP.
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1966 Andre Jagendorf (a) experimento transición ácido-
base, comprobando la síntesis de ATP en ausencia de luz
en el cloroplasto.
Yasuo Kagawa (b) realizo la reconstitución in vitro de la
ATPsintasa e impuso un gradiente electoquímico artificial
llevando a la síntesis de ATP por la enzima.
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Midiendo la cinética enzimática del intercambio de 18O entre H2O y Pi/ATP, 'binding change' mechanism en 1977.
Propuso que cada una de las 3 subunidades catalíticas en la ATP sintasaalternaba secuencialmente entre diferentes estados con diferentesafinidades para los nucleótidos.
Paul D. Boyer
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Propone 3 sitios en la enzima:
1. Beta-tight. Sitio que une ATP y fuertementecerrado
2. Beta-loose. Sitio de unión a ADP+Pi
3. Beta-open. Sitio vacío o abierto.
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La estructura de cristal de la F1 se
determinó por el grupo que dirige
John Walker (C Gibbons, M. G.
Montgomery, A. G. W. Leslie, & J. E. Walker,
2000, PDB 1E79), quién fue galardonado en
1997 con el Premio Nobel de Química por su
trabajo experimental sobre la ATPasa.
John E. Walker
Encontró que la subunidad gama es una
proteína helicoidal que constituye el eje en
el medio del anillo de las subunidades alfa y
beta.
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Subunidades beta catalíticas
Arreglo hexamérico de 3,3
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Tres técnicas para detectar la rotación de
la ATPasa
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La Rotación del eje relativo al anillo
compuesto por las subunidades a y b se
demostró por H. Noji, R. Yasuda,
M.Yoshida & K. Kinoshita.
Monitoreo de la fluorescencia
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Rotary motion of the motor that produces
ATP in mitochondria
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Paso de protones y
movimiento conformacional
de
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Paso de los protones provoca el movimiento conformacional de
las subunidades de F1.
El estator impide que toda la ATPasa gire en la membrana66
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Las lanzaderas
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Lanzadera aspartato-malato
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Lanzadera de la dihidroxiacetona fosfato
Desacoplantes artificiales y naturales
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Desacoplar la fosforilación oxidativa
1. Desacoplamiento que permite la continua
reoxidación de coenzimas para las vías metabólicas
2. El incremento exagerado del nivel de ATP puede
inhibir la respiración
3. Termogénesis adaptativa: La proteína mitochondrial
uncoupling protein de los adipositos (UCP1), disipa
la energía de la oxidación de los sustratos como
calor.
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1. IF1 has been proposed to inhibit the ATP hydrolysis.
2. IF1 is a small protein that can bind to ATP synthase and its soluble subcomplex F1-ATPase, and inhibit their ATP hydrolysis activities
3. It is a nuclear-coded mitochondrial protein and is evolutionarily conserved from yeast to mammals [2,3].
4. IF1 forms a dimer at acidic pH (~6.7) and exhibits inhibitory effects, but a tetramer form, which is formed at basic pH (~8.0), cannot interact with ATP synthase [4–6].
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La proteína inhibidora
The mitochondrial proton gradient generated by complexes of respiratory chain is used by F0-
F1-ATP synthase to phosphorylate ADP. Another mechanism consuming the gradient and
lowering ATP synthesis is proton leak (yellow arrow).
Sophie Rousset et al. Diabetes 2004;53:S130-S135
©2004 by American Diabetes Association
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Normal mitochondria are indicated by white arrows; abnormal mitochondria are indicated by black arrows. Images are presented in reverse contrast, withmembranes being black. Bars, 0.5 µm.
(A) YRD15 (B) -27-GFP, (C-F) -27-DsRed, (G,H) A20N.
Journal of Cell Science 117, 2333-
2343 (2004) 89
The oligomerisation of identical mtATPase complexes has been proposed to form a rigid arc that leads to a protrusion of the inner mitochondrial membrane (A) (adapted from Allen, 1995). Here, for simplicity the contributing complexes are shown lacking the peripheral stator stalk and FO subunits aside from the subunit 9 (c) ring.
Interactions between the DsRed moiety of mtATPase tetramers in -27-DsRed cells may prevent the component monomers from arcing away from each other and out from the membrane, thus promoting sheets of inner mitochondrial membrane lacking curvature (B).
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Comparación entre
fotofosforilación y la
fosforilación oxidativa
1. Lugar donde se localiza
2. Primer donador de los electrones
3. Reducción de la quinona
4. Presencia de b6f o bc1
5. Último aceptor de los electrones
6. Formación de gradiente de pH
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