Orgánulos y Metabolismo Celular

Biología Celular: Mitocondrias y Peroxisomas

• Una actividad fundamental de todas las células es generar energía metabólica.
• Dos orgánulos dedicados al metabolismo energético y a la producción de ATP son las mitocondrias y los cloroplastos.
• Las proteínas destinadas a mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas se sintetizan en los ribosomas libres del citosol.
• Las proteínas son importadas a sus orgánulos de destino en forma de cadenas polipeptídicas completas.
• Las mitocondrias y los cloroplastos contienen sus propios genomas, que incluyen genes que se transcriben y traducen en el orgánulo.

Mitocondrias: Organización y Función

• Juegan un papel crucial en la generación de energía metabólica en las células eucariotas.
• Generan la mayor parte de la energía útil derivada de la degradación de carbohidratos y ácidos grasos, convirtiéndola en ATP mediante fosforilación oxidativa.
• La mayoría de las proteínas mitocondriales se traducen en ribosomas citoplásmicos libres y se incorporan al orgánulo mediante señales directoras.
• Las mitocondria contiene su propio ADN, que codifica ARNt, ARNr y algunas proteínas mitocondriales.
• El ensamblaje de las mitocondrias implica proteínas codificadas por su genoma propio (traducidas en el orgánulo) y proteínas codificadas por el genoma nuclear (importadas desde el citosol).
• Las mitocondrias están rodeadas por un sistema doble de membrana: membrana mitocondrial interna y externa separadas por un espacio intermembrana.
• La membrana interna forma numerosos pliegues (crestas).
• La matriz y la membrana interna son los principales compartimentos funcionales de las mitocondrias.
• La matriz contiene el sistema genético mitocondrial y las enzimas responsables de las reacciones centrales del metabolismo oxidativo.
• La oxidación del acetil CoA a CO₂ está acoplada a la reducción de NAD⁺ y FAD a NADH y FADH₂ respectivamente.
• La mayor parte de la energía derivada del metabolismo oxidativo se produce por el proceso de fosforilación oxidativa en la membrana mitocondrial interna.
• Los electrones de alta energía de NADH y FADH₂ se transfieren al oxígeno molecular a través de transportadores de membrana (citocromos).
• La energía derivada de la transferencia de electrones se convierte en energía potencial acumulada como gradiente de protones a través de la membrana interna, utilizada para la síntesis de ATP.
• El papel fundamental de la membrana mitocondrial interna se refleja en: incrementar su superficie mediante el plegamiento de sus crestas.
• La membrana mitocondrial interna contiene un 70% más de proteínas que intervienen en la fosforilación oxidativa y el transporte de metabolitos entre el citosol y la mitocondria.
• La membrana interna es impermeable a la mayoría de iones y moléculas pequeñas, manteniendo el gradiente de protones que dirige la fosforilación oxidativa.
• La membrana externa mitocondrial es permeable a moléculas pequeñas.
• La membrana externa contiene porinas, que forman canales para el paso libre de moléculas menores de 1000 daltons (1KDa).
• La composición del espacio intermembrana es similar a la del citosol respecto a iones y moléculas pequeñas.
• La membrana interna constituye la barrera funcional para el paso de moléculas pequeñas entre el citosol y la matriz, manteniendo el gradiente de protones.
• En algunos tipos celulares, las mitocondrias se localizan en la proximidad del consumo de energía.
• Las mitocondrias son orgánulos dinámicos: se fusionan y se dividen.

Sistema Genético de las Mitocondrias

• La mitocondria tiene su sistema genético, separado y distinto del genoma nuclear de la célula.
• Se cree que las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias que desarrollaron una relación simbiótica dentro de células más grandes (endosimbiosis).
• El genoma mitocondrial está constituido por moléculas circulares de ADN, presentes en varias copias por orgánulo.
• Varían considerablemente en tamaño entre las diferentes especies.
• Codifican un pequeño número de proteínas, esenciales para el sistema de fosforilación oxidativa.
• Codifica todos los ARNr y la mayoría de los ARNt necesarios para la traducción en la mitocondria de estas secuencias codificantes.
• Otras proteínas mitocondriales son codificadas por genes nucleares, que se piensa que se han transferido al núcleo desde un genoma mitocondrial ancestral.
• Los genomas de las mitocondrias humanas y de la mayoría de los demás animales son tan solo 16Kb, mientras que las levaduras (80 Kb) y las plantas (200 Kb) son sustancialmente mayores, aunque están formados predominantemente por secuencias no codificantes.
• El genoma mitocondrial humano codifica 13 proteínas implicadas en el transporte de electrones y en la fosforilación oxidativa.
• Estos genes se transcriben y se traducen dentro de la misma mitocondria, que contienen sus propios ribosomas y ARNt.
• El ADNmit humano codifica para el ARNr 16S y 125, y para 22 ARNt implicados en la traducción de las proteínas codificadas por el ADNmit.
• A diferencia de los ARNr y ARNt codificados por el ADNmit, los genes nucleares codifican todas las proteínas necesarias para la transcripción y traducción, incluidas la ARN polimerasa mitocondrial, las proteínas ribosómicas y los factores de transcripción.
• El código genético del ADNmit es ligeramente distinto al código genético universal utilizado por las células eucariotas y procariotas.
• Hay 64 codones posibles, de los cuales 61 codifican los 20 aminoácidos diferentes incorporados a las proteínas.
• Muchos ARNt, tanto en procariotas como en eucariotas, son capaces de reconocer a más de un único codón, precisándose al menos 30 ARNt diferentes para traducir el código universal.
• Los 22 ARNt de las mitocondrias son los que se van a utilizar en la traducción de los ARNm mitocondriales, y en este caso un solo ARNt puede reconocer hasta 4 codones. Además, en las mitocondrias algunos codones especifican aa. distintos a los que codifica el código universal.
• El ADNmit puede sufrir mutaciones, que por lo general resultan nocivas por el orgánulo.
• Las mitocondrias del óvulo fecundado las aporta el oocito, las mutaciones germinales en el ADNmit son transmitidas por la madre.

Internalización de Proteínas y Formación de las Mitocondrias

• Las mitocondrias de mamífero contienen unas 1500 proteínas que son codificadas por el genoma nuclear de la célula.
• Los genes que codifican las proteínas requeridas para la replicación y expresión del ADNmit se encuentran en el núcleo.
• El núcleo contiene los genes que codifican la mayoría de las proteínas mitocondriales requeridas para la fosforilación oxidativa y las enzimas que intervienen en el metabolismo mitocondrial.
• Las proteínas codificadas por los genes nucleares son sintetizadas por ribosomas libres en el citoplasma y transportadas como cadenas polipeptídicas completadas.
• Al contar la mitocondria con un sistema doble de membranas, la importación de proteínas es más compleja.
• Las proteínas dirigidas a la matriz mitocondrial han de cruzar tanto la membrana mitocondrial externa e interna, mientras que otras proteínas han de transportarse específicamente a regiones determinada del orgánulo.
• Varias señales directoras dirigen a estas proteínas específicamente a los distintos compartimento mitocondriales.
• Las secuencias directoras mejor estudiadas son las presecuencias amino-terminales, constituidas por 15-55 aa que dirigen la entrada de proteínas a la matriz mitocondrial, además de marcar algunas proteínas para la membrana interna.
• Las presecuencias contienen múltiples aa cargados positívamente, en una hélice a anfipática, y son eliminadas mediante una escisión proteolítica, tras su introducción en el orgánulo.
• Las proteínas, se unen a un complejo proteico en la superficie de las mitocondrias que dirige su translocación a través de la membrana externa (translocasa de la membrana externa o complejo Tom).
• A continuación, estas proteínas son transferidas a un segundo complejo proteico, denominado Tim23, en la membrana interna de la mitocondria (una de las dos translocasas de la membrana interna o complejos Tim).
• Las proteínas de la matriz mitocondrial atraviesan la membrana interna a través del Tim23.
• Alternativamente, algunas proteínas que contienen una secuencia transmembrana, salen lateralmente del canal Tim23 y se insertan en la membrana interna.
• La translocación de las proteínas que contienen las presecuencias a través de Tim23 requiere el potencial electroquímico establecido a través de la membrana mitocondrial interna en el transporte de electrones.
• La transferencia de electrones de alta energía del NADH y del FADH₂ al oxígeno molecular está acoplada a la transferencia de protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, produciéndose una diferencia de potencial electroquímico favorable a la internalización de la proteína con la presecuencia de carga positiva.
• La entrada de proteínas a las mitocondrias precisa de chaperonas moleculares, además de las proteínas implicadas en la translocación.
• En la cara citosólica, los miembros de la familia de las chaperonas Hsp70 mantienen las proteínas en un estado de plegado parcial, y las presentan al complejo Tom.
• A medida que atraviesan la membrana interna, las cadenas polipeptídicas no plegadas se unen a otra chaperona Hsp70, componente de un complejo motor dedicado a la introducción de proteínas.
• En estos casos, la presecuencia se escinde en ese momento por la peptidasa procesadora de la matriz (MPP), y la cadena polipeptídica se une a otras chaperonas de la matriz que facilitan su plegado.
• Las proteínas pueden estar dirigidas a la membrana interna no solo por las presecuencias.
• Muchas de las proteínas de la membrana interna son proteínas transmembrana que funcionan como transportadores para intercambiar iones y nucleótidos entre las mitocondrias y citosol
• Estas proteínas no contienen presecuencias, sino múltiples señales internas de introducción a las mitocondrias.
• Estas proteínas atraviesan la membrana externa a través del complejo Tom, pero en vez de transferirse al Tim23, son reconocidas por cheperonas móviles (Tim9-Tim10) en el espacio intermembrana.
• Estas chaperonas escoltan estas proteínas a la segunda translocasa de la membrana interna (Tim22).
• A continuación, las proteínas son translocadas parcialmente a través de Tim22 antes de que las secuencias transmembrana internas provoquen su salida lateral del poro Tim22 y su inserción a la membrana interna.
• Otras proteínas de esta membrana son codificadas por el genoma mitocondrial.
• Estas proteínas se sintetizan en los ribosomas de la matriz mitocondrial y son marcadas para dirigirse a la translocasa Oxa1 en la membrana interna.
• Posteriormente, las proteínas son desplazadas de la zona de la matriz hacia el espacio intermembrana, y salen de Oxa1 por el lateral para insertarse en la membrana interna.
• Las proteínas destinadas a la membrana externa o al espacio intermembrana también se introducen en la mitocondria a través del complejo Tom.
• Muchas de las proteínas de la membrana externa (ej. las porinas) son proteínas en Barril ẞ que atraviesan el complejo Tom hacia el espacio intermembrana.
• Estas proteínas son reconocidas por las chaperonas móviles Tim9-Tim10, y transportadas a un segundo complejo translocón denominado complejo SAM, que media en su inserción a la membrana externa.
• Otras proteínas con dominios transmembrana hélice α se insertan en la membrana mediada por la proteína de la la membrana externa Mim1.
• Las proteínas destinadas al espacio intermembrana contienen secuencias ricas en Cis.
• Las secuencias destinadas al espacio intermembrana son reconocidas por chaperonas específicas una vez las proteínas han salido del complejo Tom.
• La mayoría de los lípidos de las membranas mitocondriales son importadas desde el citosol.
• Los esfingolípidos, el colesterol, la fosfatidilcolina, el fosfatidilinositol y la fosfatidilserina son sintetizados en el RE transportados a la mitocondria.
• Las mitocondrias, además, sintetizan fosfatidiletanolamina a partir de la fosfatidilserina.
• En la mitocondria también se cataliza la síntesis de cardiolipina, un fosfolípido infrecuente que contiene cuatro cadenas de ácidos grasos.
• La cardiolipina está situada en la membrana interna de la mitocondria, actuando para mejorar la eficacia de la fosforilación oxidativa.
• La transferencia de lípidos entre el RE y las mitocondrias tiene lugar en puntos de contacto estrecho entre el RE y las membranas mitocondriales, mediada por proteínas de transferencia de fosfolípidos, que extraen moléculas individuales de la membrana del RE.
• El lípido puede ser transportado a continuación a través del entorno acuoso del citosol, se sumerge en un sitio de unión hidrófobo de la proteína es liberado.
• Los lípidos se intercambian entre las membranas externa e interna mitocondriales en los puntos de contacto entre ellas.
• La función de las mitocondrias requiere el transporte eficiente de moléculas pequeñas a, y desde ellas.
• El ATP sintetizado en las mitocondrias debe exportarse al citosol, mientras que el ADP y el Pi han de importarse desde el citosol.
• La membrana externa de las mitocondrias es permeable libremente para las moléculas pequeñas.
• La energía necesaria procede del gradiente electroquímico generado por el bombeo de protones a a través de la membrana mitocondrial interna durante la fosforilación oxidativa.
• El transporte de ATP y ADP a través de la membrana interna está mediado por el transportador de nucleótidos de adenina, un proteína integral de membrana que transporta una molécula de ADP al interior de la mitocondria a cambio de una molécula de ATP transferida desde la mitocondria al citosol.
• Como el ATP tiene una carga negativa mayor que el ADP (-4 frente a -3), el intercambio está dirigido por el componente eléctrico del gradiente electroquímico.
• Puesto que el gradiente de protones establece una carga positiva en el lado citosólico (espacio intermembrana), el intercambio de ATP y ADP es energéticamente favorable. La síntesis de ATP también requiere iones fosfato (Pi).
• La incorporación de Pi se lleva a cabo por proteínas transportadoras de membrana que importa H₂PO₄ y exporta OH⁻.
• El balance de este transporte es neutro y sin embargo, el intercambio está dirigido por el gradiente de concentración de protones.
• El pH más elevado en el interior de la mitocondria se corresponde a una mayor concentración de OH, lo que favorece su translocación al lado citosólico de la membrana.
• El transporte de piruvato (resultante de la glicolisis) desde el citosol al interior de la mitocondria está mediado por un transportador que intercambia piruvato por OH

Peroxisomas

• Los peroxisomas contienen enzimas implicadas en diversas reacciones metabólicas.
• Son orgánulos pequeños (0,1-1 µm) rodeados por una membrana.
• Contienen enzimas implicadas en diversas reacciones metabólicas, incluyendo varios aspectos del metabolismo energético.
• Las células humanas contienen entre 100 y 1000 peroxisomas dependiendo de la actividad celular.
• No poseen su propio genoma, y todas sus proteínas se sintetizan en ribosomas libres en el citoplasma celular, solo algunas provienen del RE.
• Se pueden replicar mediante división, y pueden ser generados por la célula incluso cuando se hayan perdido por completo.
• Contienen más de 50 enzimas diferentes implicadas en las rutas metabólicas.
• En los peroxisomas se llevan a cabo reacciones oxidativas produciendo peróxido de hidrógeno.
• Debido el peróxido de hidrógeno es dañino para la célula, los peroxisomas contienen catalasa, que descomponen el peróxido de hidrógeno en agua y oxigeno.
• En los peroxisomas se produce la oxidación de ácido úrico, aminoácidos y ácidos grasos, especialmente los ácidos grasos ramificados y de cadena muy larga
• Los ácidos grasos también se oxidan en las mitocondrias.
• Los peroxisomas intervienen también en la síntesis de lípidos, como el colesterol y el dolicol que se sintetizan en el RE y en los peroxisomas.
• Contienen enzimas necesarias para la síntesis de plasmalógenos, familia de fosfolípidos en los que una de las cadenas hidrocarbonadas está unida al glicerol mediante un enlace éter
• En el ensamblaje de los peroxisomas, las proteínas peroxisómicas internas provienen de los ribosomas libres del citosol; mientras que las proteínas transmembrana del RE.
• Entre las proteínas transmembrana se incluyen muchas implicadas en el transporte de metabolitos y otras denominadas peroxinas o proteínas Pex.
• Algunas de las proteínas transmembrana del peroxisoma, se producen en una región especializada del RE denominada RE peroxisómico.
• Las vesículas producidas en el RE peroxisómico no contienen cubierta proteica, sino que son inducidas por los propios peroxisomas.
• Para la formación de los peroxisomas se requieren de varias vesículas que contienen distintas clases de peroxinas.
• Las proteínas internas se dirigen a los peroxisomas por la sencilla secuencia de aa: Ser-Lis-Leu en su extremo carboxilo, (señal de direccionamiento de peroxisomas 1, o PTS1).
• Otras proteínas tienen señales de posicionamiento en el extremo amino-terminal, que están constituidas por 9 aa (señal de direccionamiento de peroxisoma 2 o PTS2).
• Las señales de posicionamiento PTS1 y PTS2 son reconocidas por las peroxinas Pex5 y Pex7 respectivamente.
• Estas peroxinas son receptores citosólicos.
• El complejo Pex5/carga se une primero a un complejo de anclaje que consiste en otras 3 peroxinas (Pex13, Pex14 y Pex17) en la membrana peroxisómica.
• Pex5 y Pex14 forman un poro en la membrana del peroxisoma a través del cual se introduce la proteína en la vesícula.
• Posteriormente Pex5 se recicla, por la acción de otras proteínas Pex.
• Algunas proteínas de membrana peroxisómica, son también sintetizadas en ribosomas libres.
• Los complejos Pex19/carga son reconocidos por Pex3 y Pex16 en la membrana del peroxisoma, y Pex19 actúa como mediador en la inserción de las proteínas de carga en la bicapa lipídica.
• Los peroxisomas pueden formarse por dos mecanismos distintos: gemación de vesículas desde el RE; y por crecimiento y división.
• Los nuevos peroxisomas son producidos más rápidamente a partir de la división de peroxisomas ya existentes
• Los mecanismos de formación de peroxisomas contribuyen al mantenimiento de la población de peroxisomas en la célula en respuesta a las necesidades metábolicas

Patologías Asociadas a Mitocondrias

• Neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL) es una enfermedad poco frecuente, que causa ceguera como consecuencia de la degeneración del nervio óptico.
• La pérdida de visión ocurre entre los 15 y 35 años, siendo generalmente, la única manifestación de la enfermedad.
• No todos los individuos que heredan los defectos desarrollan la enfermedad.
• Afecta con menor frecuencia a las mujeres.
• Solo las mujeres (madres) son transmisibles por las mujeres, lo que ha hecho pensar de que es citoplásmica y no nuclear, ya que el citoplasma de los óvulos fecundados procede casi por completo del oocito.
• En 1988 Douglas Wallace identificó una mutación en el ADNmit de pacientes con NOHL (posición 11.778).
• Esta mutación afecta a una de las subunidades del complejo I del transporte de electrones (NADH deshidrogensa).
• Las mutaciones que afectan a tres de las subunidades del complejo I de transporte de electrones son las causantes de la enfermedad.
• Las mutaciones que se producen en el NOHL disminuyen la capacidad de las mitocondrias para llevar a cabo la fosforilación oxidativa y generar ATP.
• Los efectos de estas alteraciones son más evidentes en tejidos que requieren de una mayor producción de energía y no un efecto sistemico.
• El sistema nervioso central (cerebro y nervio óptico) es dependiente del metabolismos oxidativo, siendo uno de los sistemas más afectados en el NOHL.
• Solo el 10% mujeres y 50% en hombres que poseen una mutación sufren pérdida de visión
• Como las mitocondrias se someten normalmente a procesos de fisión y de fusión, las mezclas de genomas mutados y normales pueden atenuar los efectos.
• Algunas personas con la mutacion no tienen el gen activado.
• La identificación de mutaciones del ADNmit responsables de la NOHL permite el diagnóstico molecular definitivo de la enfermedad.
• La identificación de individuos portadores es de escasa utilidad, puesto que no todos los portadores van a manifestar dicha enfermedad.

Terapias potenciales:

• Tratamiento metabólico dirigido a mejorar la fosforilación oxidativa mediante la administración de sustratos o cofactores de la vía de transporte de electrones.
• Antioxidantes y factores que promueven la supervivencia de las neuronas (neurotrofinas).
• Terapias génicas.

Patologías Asociadas a Peroxisomas

• Trastornos de la biogénesis de los peroxisomas
• Varias enfermedades proceden de mutaciones que degradan las actividades metabólicas que tienen lugar en los peroxisomas.
• Algunas enfermedades se deben a mutaciones que se producen en enzimas peroxisómicas individuales.
• Otras son consecuencia de mutaciones en proteínas Pex, implicadas en el ensamblaje de los peroxisomas, que conducen además a la disfunción de las enzimas localizadas en los peroxisomas.
• Se trata de enfermedades genéticas recesivas con una incidencia aproximada de 1:50.000 personas.
• Los trastornos del espectro de Zellweger:
• Diversa gravedad: Síndrome de Zellweger es el más grave; formas leves/moderadas como la leucodistrofia neonatal (LDNN) y enfermedad de Refsum infantil (ERI).
• Pacientes con síndrome de Zellweger mueren en primera infancia/los de LDNN hasta la adolescencia/los de la ERI, pueden llegar a la edad adulta.
• Síntomas: retraso en el desarrollo, anomalías rasgos faciales, pérdida de audición/visón y disfunción hepática. La condrodisplasia rizomélica punteada (CDRP) tipo 1:
• CDRP tipo 1: extremidades cortas, baja estatura, cataratas, retraso psicomotor.
• Muchos individuos mueren en primera infancia, y otros pueden llegar a edad adulta. mutaciones en 14 genes Pex diferentes, que son necesarios para el ensamblaje de los peroxisomas.
• la CDRP tipo 1-> mutaciones en el gen Pex7.
• mutaciones en gen Pex7->receptor citosólico para proteínas de matriz dirigidas a los peroxisomas,
• mutaciones en otros 13 genes Pex ->trastornos del espectro de Zallweger.
• Entre estos genes se incluye Pex5 -> receptor citosólico de la señal PTS1.
• No hay cura, ni tratamiento estándar para los transtornos de la biogénesis de los peroxisomas. tratamiento de soporte : aliviar la enfermedad.

Este cuestionario explora los orgánulos celulares clave, como mitocondrias y peroxisomas, y sus roles en la generación de energía y el metabolismo. Aborda la síntesis e importación de proteínas en estos orgánulos, así como las características únicas de los lípidos mitocondriales como la cardiolipina. Evalúa la comprensión de los procesos metabólicos esenciales dentro de la célula.