Respiracion aerobica y la Mitocondria
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Respiracion aerobica: Mitocondria
Introduccion
Los primeros 2000 millones de anos: Atmosfera formada de moleculas reducidas: Hidrogeno molecular H2, Amoniaco NH3, y H20. Pobladores: solo anaerobios Pronto, aparecieron las Cianobacterias Con una nueva clase de proceso fotosintetico en el que la molecula de agua se dividia y se liberaba oxigeno molecular
Oxigeno molecular: Sustancia muy toxica, capta los electrones adicionales y reacciona con diversas moleculas biologicas. Con el tiempo evolucionaron especies que estaban protegidos contra el 02, pero tambien lo aprovechaban en vias metabolicas en donde obtenian mas energia para sus funciones.
Respiracion aerobica: Mitocondria
Organismos incapaces de usar el 02, en suficiente cantidad, recurrieron a la fermentacion .(acido lactico y etanol) Los organismos que incorporaron el O2, pudieron oxidar moleculas para obtener suficiente energia, mas C02 y H20.
Hay datos que indican que la mitocondria evoluciono de una bacteria ancestral que encontro su medio dentro del citoplasma de una celula huesped.
Mitocondria: estructura
La mitocondria tipica tiene el tamano de una bacteria, forma de salchicha, pero puede ser redonda y/o en forma de hebra. Requerimientos de energia, de una celula, se reflejan en el numero de mitocondrias.
Mitocondria: su estructura
El tamano promedio: 1 a 4 m de largo. Mitocondrias : a) fibroblasto b) la forma mas comun y c) las mitocondrias en la porcion media del espermatocito, cerca de su flagelo
Mitocondria su estructura
Las mitocondrias ocupan el 15 a 20 % del volumen de una celula hepatica. Tiene dos membranas, que forman dos espacios: el espacio intermembranas y un espacio conocido como matriz.
Mitocondria: su estructura
Membranas: externa:
interna:
Contiene pocas proteinas, pero tiene >50% de lipidos mezclados con enzimas. Contienen proteinas que forman poros grandes llamados porines. Es muy permeable, pasan hasta proteinas.
Contiene mas de 100 polipeptidos diferentes con un indice alto de proteina/lipido, 75% de proteina. Contiene cardiolipina un fosfolipido raro, semeja una membrana bacteriana.
Mitocondria: su estructuraLas dos membranas contienen porinas, proteinas integrales con un canal interno, son dinamicas y se pueden cerrrar; la membrana externa es permeable a ATP y NAD y Coenzima A, esenciales en el metabolismo energetico
Mitocondria: su estructura
La membrana interna es impermeable, moleculas y iones requieren transportadores para ingresar. Varias proteinas de esta membrana participan en la captacion y liberacion del ion calcio. El calcio es iniciador de las actividades celulares. La mitocondria participa en la regulacion de la [calcio] en el citosol. Matriz de la mitocondria contiene:
Varias moleculas de DNA, circular, numerosos ribosomas Produce su propio RNAm y proteinas (13) de uso interno. El DNA codifica RNAr, (2) y RNAt tambien. Su consistencia es gelatinosa.
Mitocondria: metabolismo oxidativo
A partir de la glucosa, los pasos iniciales en el metabolismo oxidativo los ejecutan las enzimas de la glucolisis que estan en el citosol. La glicolisis anaerobia, se hace en 10 etapas.
La glucolisis produce 2 Piruvatos, 2NADH y
Las dos moleculas de ATP, y NADH pueden procesarse de forma distinta, segun el tipo de celula y la presencia o ausencia de O2.
2 moleculas de ATP.
Oxidacion anaerobia del piruvato
Fermentacion:
Celulas de levadura, celulas tumorales y musculares, dependen mucho de la glucolisis para obtener ATP. NAD, es el producto esencial para la oxidacion de gliceraldehido 3, (P) formacion es a expensas de NAD+.
Suministro de NAD+ es escaso. El NAD+ (muy importante), debe regenerarse a partir de NADH Cuando esto no ocurre, la reaccion no sucede, y se suspenden las reacciones que dependen de este producto
Oxidacion anaerobia del piruvato
Fermentacion:
En ausencia de 02 no puede oxidarse NADH a NAD+ por medio de la cadena transportadora de electrones, porque el 02 es el aceptador final de electrones en la cadena. Pero las celulas pueden tambien regenerar NAD+ por fermentacion.
Transfieren electrones del NADH al piruvato o a un compuesto derivado del piruvato. La fermentacion sucede en el citoplasma de la celula eucariota. Todos los microorganismos 02 dependientes, usan la fermentacion para regenerar NAD+
Oxidacion anaerobia del piruvato
En el ejercicio la celula muscular agota el 02, ciertas celulas musculares regeneran NAD+ para convertirlo de piruvato a lactato. Las celulas de las levaduras por el contrario convierten piruvato a etanol
Oxidacion anaerobia del piruvato
En microorganismos la fermentacion es un proceso coadyuvante necesario en el metabolismo, en algunos otros, es la unica fuente de energia metabolica.
La oxidacion completa de 1 molecula de glucosa representa -686 kcal; solo se liberan 57 kcal cuando se convierte a etanol y 47 kcal., cuando se convierte en lactato.
Mitocondria: metabolismo oxidativo
En presencia de oxigeno:
El organismo aerobio, extrae cantidad alta de energia adicional del piruvato y del NADH, productos de la glucolisis (anaerobia). Estos producen hasta 30+ moleculas de ATP adicionales. La obtencion de este energetico sucede en la mitocondria.
Mitocondria: metabolismo oxidativo
Piruvato:
interna donde se descarboxila y forma un grupo acetilo de 2 carbones. (-CH3-C00-). El grupo acetilo se transfiere a la coenzima A, (compuesto organico complejo, derivado de la vitamina acido pantotenico) para producir acetil-CoA
Cada molecula de piruvato se transporta a traves de la membrana
Mitocondria: metabolismo oxidativo
Piruvato + HS-CoA + NAD+ acetil-CoA + C02 + NADH + H+ La descarboxilacion del piruvato y la transferencia del grupo acetilo a CoA, es una reaccion que cataliza el complejo multienzimatico gigante, deshidrogenasa de piruvato
Otras vias catabolicas
Oxidacion de acidos grasos:
Ciclo del acido tricarboxilico
Formada la acetil CoA, ingresa a una via ciclica, el ATC, en la que se oxida el sustrato y se conserva su energia. Todas las fases del ciclo se efectuan en la matriz mitocondrial, excepto, la deshidrogenasa de succinato, que se une a la membrana interna mitocondrial. Tambien llamado: El ciclo de Krebs en honor de Hans Krebs quien dilucido la via en 1930.
Ciclo del acido tricarboxilicoEl primer paso, es la condensacion del grupo acetilo de 2 carbones con un oxaloacetato de cuatro carbones. Asi se forma la molecula Citrato con 6 carbones; durante el ciclo, el tamano del citrato se va reduciendo, un Carbon a la vez.
Ciclo del acido tricarboxilico
Ciclo del acido tricarboxilicoEl paso final del ciclo es la regeneracion de la molecula de oxaloacetato. Los 2 carbones que se expulsan durante el ciclo, son los que se oxidan hasta C02.
Ciclo del acido tricarboxilico
Durante el ciclo, hay 4 reacciones en las que un par de electrones se transfieren, de un sustrato a una coenzima receptora de electrones
3 reacciones reducen el NAD+ a NADH y una reaccion reduceFAD a FADH.
Ciclo del acido tricarboxilico
La ecuacion neta, de las reacciones del ciclo ATC, se puede escribir asi: Acetil CoA + 2H20 + FAD + 3NAD + GDP + Pi 2CO2 + FADH +
Este ciclo es la via metabolica critica; los metabolitos de este ciclo, son los mismos compuestos de la mayoria de las vias catabolicas, incluyendo la degradacion de los acidos grasos.
3NADH + 3H+ + GTP + HS-CoA
Las coenzimas reducidas
La ecuacion neta, informa claramente que, los productos primarios (mas importantes) de la via, son las coenzimas reducidas: FADH y NADH, que contienen los electrones de alta energia procedentes de sustratos durante su oxidacion. La mitocondria, no es capaz de importar el NADH formado en el citosol, (la glicolisis anaerobia), entonces, los electrones de NADH se usan para reducir un metabolito de bajo peso molecular.
Las coenzimas reducidas
El metabolito de bajo peso molecular puede:
a)-entrar a la mitocondria por un transportador llamado: lanzadera de malato-aspartato y reducir el NAD a NADH o, b)-transferir sus elec trones a FAD por una via llamada, lanzadera de glicerol-fosfato, para Producir FADH. Los 2 mecanismos permiten que los e- del NADH citosolico ingresen a la cadena mitocondrial de transporte de electrones y se use para obtener ATP.
Las coenzimas reducidas
Las coenzimas reducidas
Ahora, debemos regresar a las coenzimas reducidasy los pasos que utilizan para obtener el ATP, el proceso se divide en 2 pasos:
trones de alta energia pasan de FADH o NADH al primero de los transportadores de la cadena transpor tadora de electrones
Paso 1. los elec-
Las coenzimas reducidasLa cadena transportadora de electrones se encuentra inmersa en la membrana interna de la mitocondria. Los electrones van pasando por una cadena respiratoria y son transportados por portadores, y liberan energia. Las reacciones se vinculan con otras reacciones que cambian la conformacion de los Portadores.
Las coenzimas reducidas
La energia liberada durante el transporte de electrones se almacena en forma de un gradiente electroquimico de protones a traves de la membrana.
controlado de protones de regreso a la matriz a traves de la membrana. mediante una enzima que sintetiza ATP, propor ciona la energia necesaria para fosforilar ADP en ATP
Paso 2 . El movimiento
Las coenzimas reducidas
Sumando todas las moleculas de ATP formadas a partir de 1 (una) molecula de glucosa, catabolizada completamente por la glucolisis y el ciclo ATC, la ganancia neta es de 36 moleculas de ATP. Mas este resultado, dependera de las actividades particulares de las celulas.
Mitocondria: la formacion de ATP
Las mitocondrias han sido descritas como: plantas energeticas en miniatura En terminos especificos: la energia obtenida de los sustratos se aplica para generar un gradiente ionico a traves de la membrana interna mitocondrial. Este gradiente ionico representa una forma de energia utilizable para realizar un trabajo. Las celulas intestinales y las nerviosas utilizan gradientes ionicos y muchas otras
Mitocondria: la formacion de ATP
El uso de gradientes ionicos requiere de componentes como:
Un sistema para generar el gradiente Una membrana capaz de mantener el gradiente. El mecanismo para derivar el gradiente y hacer
Cuando la formacion de ATP se impulsa con la energia liberada de los electrones retirados durante la oxidacion de un sustrato, es un proceso conocido como fosforilacion oxidativa o tambien:Fosforilacion oxidativa La formacion de ATP se realiza por la energia liberada de los electrones eliminados durante la oxidacion del sustrato
el trabajo.
Mitocondria: la formacion de ATP
De acuerdo a un calculo, la fosforilacion oxidativa, explica la produccion de mas de
2 X 1026 moleculas (> 160 kgs.) de ATP en el cuerpo humano cada dia.
Para comprender el mecanismo de la fosforilacion oxidativa, es necesario considerar como es que la oxidacion de un sustrato puede liberar energia libre.
Mitocondria: la formacion de ATP
Si se comparan los agentes oxidantes, estos se pueden ordenar de acuerdo a su afinidad por los electrones: a mayor afinidad, mas potente es el agente oxidante. Los agentes reductores tambien se pueden clasificar de acuerdo a su afinidad por los electrones: a menor afinidad (libera facilmente los e-) mas fuerte es el agente reductor. El NADH es un reductor potente, el H20 es un reductor debil.
Mitocondria: la formacion de ATP
Los agentes oxidantes y reductores estan siempre en parejas: NAD y NADH, que difieren en su numero de electrones. Un reductor fuerte se unira con un oxidante debil y viceversa.
Mitocondria: la formacion de ATP
El transporte de electrones
Cinco de las 9 reacciones del ciclo de ATC son catalizadas por deshidrogenasas, enzimas que transfieren pares de electrones de sustratos a coenzimas. Cuatro de estas reacciones generan NADH, y una produce FADH. La deshidrogenasa de succinato, la enzima que forma el FADH, es un componente de la membrana interna mitocondrial.
Mitocondria: la formacion de ATP
Electrones de alta energia relacionados al NADH y FADH se transfieren por una serie de portadores especificos de electrones llamada:
cadena de transporte de electrones(o cadena respiratoria) de la membrana mitocondrial interna.
Mitocondria: la formacion de ATP
Tipos de portadores de electrones
Compuesta de 5 tipos de portadores de e-, unidos con la membrana:
Flavoproteinas: un polipeptido, unido con fuerza a uno de 2 grupos prosteticos relacionados, dinucleotido de flavina adenina (FAD) o (FMN) derivado de la Riboflavina(vit.B2), y cada uno es capaz de aceptar y donar dos protones y dos electrones. Las principales flavoproteinas de la mitocondria son la deshidrogenasa de NADH de la cadena de transporte de electrones y la deshidrogenasa del succinato, en la membrana interna.
Mitocondria: la formacion de ATP
Mitocondria: la formacion de ATP
Los citocromos: son proteinas que contienen grupos prosteticos hem
El atomo de hierro de un grupo hem presenta una transmision reversible entre los estados de oxidacion Fe3+ y Fe2+ por haber aceptado y perdido un electron. Hay 3 tipos de citocromos a, b, y c- en la cadena que se distinguen entre si por las sustituciones dentro del grupo hem
Mitocondria: la formacion de ATP
Mitocondria: la formacion de ATP
La ubicuinona (o coenzima Q):
dos electrones y dos Protones. Reduccion parcial: la molecula esta en estado de reduccion parcial, es el radical libre, ubisemicuinona, y reducida completa es ubicuinol
Molecula liposoluble, tiene una cadena hidrofoba, larga, compuesta de unidades isoprenoides de 5 C. Puede donar y aceptar
Mitocondria: la formacion de ATP
Tres atomos de cobre
Localizados dentro de un solo complejo proteico, de la membrana mitocondrial interna.
Aceptan y donan un solo electron cuando alternan entre los estados de oxidacion, Cu2+ y Cu1+.
Mitocondria: la formacion de ATP
Las proteinas con hierro y azufre:
Contienen hierro, pero este se une a atomos de azufre inorganico, como parte del centro de hierro y azufre , los mas
frecuentes contienen 2 o 4 atomos de hierro y azufre, designados [2Fe-2S] y [4Fe-4S], y unidos con la proteina en los residuos de Cisteina. Se han identificado mas de una docena de centros de hierro y azufre.
Mitocondria: la formacion de ATP
Los portadores se organizan en orden de potencial redox positivo creciente.
Cada portador se reduce con la ganacia de electrones, a partir del portador precedente, y luego se oxida por la perdida de electrones a favor del siguiente portador
Mitocondria: la formacion de ATP
Al pasar los electrones de un portador al siguiente se va perdiendo energia, en su camino colina abajo, a lolargo de la cadena. El aceptor final es el O2, que se reduce para formar agua.
Mitocondria: la formacion de ATP
Complejos transportadores de electrones:
Se conocen 4 complejos, distintos, (I,II,III,IV), asimetricos, que son portadores de electrones y cruzan toda la membrana. Cada complejo tiene una funcion distinta en la via general de la oxidacion. Dos componentes de la cadena transportadora de electrones, citocromo c y ubicuinona no son parte de ninguno de los 4 complejos. Una vez dentro de uno de los grandes complejos proteicos inmoviles, los electrones discurren a lo largo de trayectos definidos.
Mitocondria: la formacion de ATP
Mitocondria: la formacion de ATP
Se ha puesto en claro que la configuracion molecular de todos los complejos proteicos de la membrana interna, y por tanto se determina la funcion de cada complejo.
Mitocondria: la formacion de ATP
Complejo I (o deshidrogenasa de NADH):
Es la puerta de entrada a la cadena transportadora de electrones, cataliza la transferencia de un par de electrones de NADH a la ubicuinona para formar ubicuinol Polipeptido enorme, forma de L, con 45 subunidades diferentes. Siete de las subunidades se codifican por genes mitocondriales. Este complejo incluye una flavoproteina con FMN que oxida al NADH, 7 centros de hierro y azufre y dos moleculas unidas de ubicuinona.
Mitocondria: la formacion de ATP
Se cree que un par de electrones pasan por este complejo y se acompana del movimiento de 4 protones de la matriz hacia el espacio intermembrana.
Mitocondria: la formacion de ATP
Complejo II (o deshidrogenasa de succinato)
Lo forman 4 polipeptidos: dos subunidades hidrofobas fijando la proteina a la membrana, y dos subunidades hidrofilas que comprenden la enzima del ciclo ATC hidrogenasa de succinato. Este complejo es una via para alimentar los electrones del succinato a FAD y ubicuinona. El trayecto de FADH en el sitio catalitico a la ubicuinona. La transferencia de electrones a traves del complejo II no se realiza por translocacion de protones.
Mitocondria: la formacion de ATP
Complejo III: (o citocromo bc)
Cataliza la transferencia de electrones del ubicuinol al citocromo c.
Se bombean 4 proto nes a traves de la membrana por cada par de electrones que Se transfieren por el complejo III.
Mitocondria: la formacion de ATP
Complejo IV (u oxidasa de citocromo c)
El paso final en el transporte de electrones en una mitocondria, es la sucesiva transferencia de electrones del citocromo c reducido, al oxigeno. Este complejo cataliza la reduccion del O2. Estructura enorme polipepida conocida como oxidasa de citocromo
Translocacion de protones
La translocacion de protones, crea una separacion de cargas a traves de la membrana, y un gradiente en la concentracion de protones.
Por consiguiente, el gradiente de protones tiene dos componentes;
Un gradiente de voltaje y otro de pH- cuya fuerza dependera del movimiento de otros iones a traves de la membrana. -Un gradiente que tiene un componente de concentracion (quimico) y otro electrico (voltaje) es un gradiente electroquimico Los dos componentes juntos forman una fuerza motriz de protones. (o fuerza protonmotiva) que se mide en milivoltios.
Translocacion de protonesConociendo ese gradiente de protones que se ha formado, se puede aclarar el proceso, que utiliza la energia almacenada (protones), en ese gradiente, para impulsar la fosforilacion del dinucleotido de adenina En 1960 se descubrio y en 1970, se confirmo la presencia de esferas unidas a la membrana interna de la mitocondria, por un tallo, Factor de union 1 o simplemente F1.
Translocacion de protones
La estructura de la Sintasa de ATP
Complejo proteico en forma de hongo
Translocacion de protones
La sintasa de ATP:
Esta formada por dos componentes principales:
Una cabeza esferica
F1 y una porcion basal llamada Fo. Se unen por un tallo central Y uno periferico
Mitocondria y el metabolismo oxidativo"
ATP Sintasa
ATP Sintasa
El ATP es sintetizado a traves de catalisis rotacional cuando el cuello de la enzima rota en relacion a la cabeza.
ATP Sintasa
Otros papeles de la fuerza protonmotiva en adicion a la sintesis de ATP:
1.-El gradiente de H+ conduce el transporte de ADP in ATP fuera de la mitocondria. 2.-El transporte de calcio y algunas proteinas dentro de la mitocondria es energizada por esta fuerza protonmotiva.
El nivel de ADP es el factor mas importante para controlar el indice respiratorio.
Importacion de proteinas a la mitocondria
A.-Muchas proteinas son codificadas en los genes nucleares y sintetizadas en el citoplasma. B.-Una secuencia de terminal N dirige el transporte de polipeptidos del citoplasma a la matrix Proteinas entran en el lugar donde las dos membranas hacen contacto.
La translocacion es favorecida por gradiente de voltage. Algunas proteinas son dirigidas a la membrana interna (complejos) otras hacia el espacio intermembrana. Las proteinas de los genes mitocondriales son sintetizadas en los ribosomas que estan adheridos a la membrana interna.
Importacion de proteinas a la mitocondria"
Metabolismo oxidativo mitocondrial
Peroxisomas
Microcorpusculos citoplasmicos granulares enlazadas a la membrana. Se les dividio en 2 categorias:
Estos comparten dos propiedades con las mitocondrias:
Peroxisomas, presentes en plantas igual que en animales Glioxisomas, presentes solo en las plantas.
Participan en el metabolismo oxidativo Importan sus proteinas despues de ser traducidas.
Los peroxisomas o microcuerpos son vesiculas simples con membrana.
Peroxisomas
Peroxisomas contienen un nucleo cristalino denso consistente en una enzima oxidativa. Son fabricas metabolicas versatiles que oxidan un numero de compuestos organicos y sintetizan colesterol, acidos biliares y plasmalogenos
Peroxisomas
Son organelos con multiples funciones Contienen mas de 50 enzimas que hacen muchas actividades, como la oxidacion de acidos grasos de cadenas muy largas (24-26c Tambien la sintesis de plasmalogenos, una clase de fosfolipidos especial en los que la cadena de acidos grasos se une a un enlace eter en lugar de un enlace ester Plasmalogenos abundan en las vainas de mielina que envuelven a los axones neuronales cerebrales. Anomalias en estos plasmalogenos disfuncion neurologica grave (esclerosis multiple).
Peroxisomas
Peroxisomas comparten propiedades con las mitocondrias, ambos importan proteinas nucleares y participan en un metabolismo oxidativo. El nombre peroxisoma se refiere al sitio de donde se sintetiza y degrada el peroxido de hidrogeno (H2O2) un agente oxidante muy reactivo y
toxico. Se produce por la accion de varias enzimas peroxisosmicas, incluida la oxidasa de aminoacidos, que usan sus sustratos respectivos. El H2O2 generado en estas reacciones se degrada pronto mediante la enzima catalasa, que es muy abundante en estos organelos.
Peroxisomas
Tambien se les encuentra en las plantas. Y aqui se les conoce como glioxisoma. Una funcion metabolica especifica de estas plantas es la conversion de los acidos grasos almacenados en carbohidratos. Esta degradacion de los acidos grasos genera Acetil CoA que al condensarse con oxaloacetato forma citrato que luego se convierte en glucosa.
