Tema 13 - Mitocondria PDF

Tema 13. MITOCONDRIA  Tema 13. Mitocondria 13.1.- Generalidades: Estructura y función 13.2.- Genoma Mitocondrial Humano 13.3.- Traslocación de proteínas 13.4.- Biosíntesis de proteínas 13.5.- Mitocondrias y envejecimiento celular 13.6.- Mitocondrias y apoptosis 13.7.- Enfermedades mi...

Tema 13. MITOCONDRIA  Tema 13. Mitocondria 13.1.- Generalidades: Estructura y función 13.2.- Genoma Mitocondrial Humano 13.3.- Traslocación de proteínas 13.4.- Biosíntesis de proteínas 13.5.- Mitocondrias y envejecimiento celular 13.6.- Mitocondrias y apoptosis 13.7.- Enfermedades mitocondriales  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Morfología Figure 14-4 Molecular Biolo gy of the Cell (© Garla nd Grandes (diámetro 0,5 – 1 ) Science 2008) Forma: redonda, cilíndrica u ovalada. Presentan una elevada plasticidad: Es decir, cambian de forma constantemente (el dibujo de la derecha representa los rápidos cambios morfológicos que sufre una mitocondria si la observamos dentro de una célula viva al microscopio) Se fusionan entre ellas y se dividen: son dinámicas. Pueden cambiar de nº y apariencia dentro de la misma célula Representan 15-20% del volumen celular Figure 14-55b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Más de 1000 proteínas diferentes Enzimas de fosforilación oxidativa y del ciclo de Krebs  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Movilidad y Localización: Se desplazan por microtúbulos (con la ayuda de proteínas motoras). Ver imagen de la derecha: En (A) se ven, al microscopio de fluorescencia, las mitocondrias de una célula en (B) se observan los microtúbulos en la misma célula. Comparándolas se observa que coincide la localización de los microtúbulos y de las mitocondrias Localizadas en zonas de gasto de ATP: Por ej. en el dibujo de abajo: en (A) se representa la localización de abundantes mitocondrias entre las miofibrillas contráctiles de una célula de músculo cardíaco y en (B) la distribución de muchas mitocondrias alrededor del axonema del flagelo de un espermatozoide Figure 14-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 14-6 Molecular Biolo gy of the Cell (© Garla nd Scie nce 20 08)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Función principal: Utilizan oxígeno para extraer energía de los nutrientes muy eficientemente por respiración aerobia. Sitio principal de síntesis de ATP Mitocondrias vistas con el m.e.t. (microscopio Estructura: electrónico de transmisión) Membrana mitocondrial externa (MME) Espacio intermembrana (cámara externa): el espacio acuoso situado entre la MME y la MMI Membrana mitocondrial interna (MMI) Crestas: Invaginaciones de la MMI. Aumento de superficie (La MMI representa aproximadamente 1/3 de toda la membrana celular) Matriz: el espacio acuoso recubierto por la MMI ¿Dónde serán más numerosas las crestas? ¿En mitocondrias del miocardio o del hígado?  Tema 13. Mitocondrias Mitocondrias vistas con el m.e.t. 13.1.- Generalidades (microscopio electrónico de transmisión) Figure 14-8 (par t 1 of 2) Molecular Biolo gy of the Cell (© Garla nd Scie nce 20 08)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Membrana Mitocondrial Externa (MME) 40% de lípidos y 60% de proteínas (6% prot. Mitocondria) Porinas (barril β): diámetro relativamente grande (2 – 3 nm).Provocan que la MME sea permeable para sustancias menores de 5.000 Daltons: ✓ iones, agua, ATP, NAD, CoA, glucosa, etc. Tiene distintas enzimas: metabolitos de lípidos, degradación de triptófano, oxidación de adrenalina… Receptores para la traslocación de proteínas (TOM y SAM) Enzimas de división y fusión Conversión de sustratos lipídicos a formas oxidables Elongación de ácidos grasos Porinas  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Espacio Intermembranoso = Cámara Externa Medio acuoso con composición similar al citosol: para aquellas sustancias que atraviesan la MME por las porinas (iones y moléculas pequeñas), la concentración en el citosol y en el espacio intermembrana será igual Además, tiene proteínas que participan en el inicio de la apoptosis (citocromo c) (ver más adelante) Membrana Mitocondrial Interna (MMI) 80 % proteínas: proteínas de la cadena respiratoria, las ATP-sintasas, translocadores como TIM23 y otros Cardiolipina: fosfolípido 20 % de lípidos: especial con 4 colas – Poco colesterol – Mucha cardiolipina: Fosfolípido especial que proporciona impermeabilidad a iones favoreciendo la generación y mantenimiento del gradiente de protones Muy especializada en obtención de energía en forma de ATP (Fosforilación oxidativa) Muy impermeable (no hay porinas): Necesidad de transportadores para: piruvato, ácidos grasos, ADP, ATP, etc.  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Membrana Mitocondrial Interna (MMI) Fosforilación Oxidativa= (cad. Respiratoria + ATP sintasa) La cadena respiratoria (cadena de transporte de electrones) es una cadena de transportadores de electrones organizados en una serie de complejos (complejos I, II, III y IV). La energía liberada por el transporte de electrones, al ir pasando por estos transportadores de la cadena respiratoria hacia un aceptor final de electrones (que será el oxígeno), se emplea en la generación de un gradiente de H+ cuya disipación por la ATP sintasa permite la fosforilación del ADP a ATP (recuerda tema 5). Realiza este bombeo de protones. NADH o el FADH2 son las moléculas que ceden electrones a la cadena respiratoria y que estas moléculas proceden de procesos como la beta oxidación de los ácidos grasos o como el ciclo de Krebs Figure 14-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Membrana Mitocondrial Interna (MMI) Fosforilación Oxidativa= (cad. Respiratoria + ATP sintasa) Gradiente Electroquímico de H + La energía del gradiente de protones (gradiente químico y eléctrico) es lo que llamamos fuerza H+-motriz: Al regresar los H+ a la matriz, a favor de gradiente, por la ATP sintasa, esta energía potencial electroquímica (el gradiente de protones) se disipa, transformándose en energía mecánica (giro y cambios de conformación en la ATP sintasa) que, a su vez, la ATP sintasa utiliza para generar energía química (ATP) (Ver siguiente diapositiva). De hecho, es el componente eléctrico de este gradiente electroquímico el que aporta más energía a la síntesis Figure 14-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) de ATP como veis en la imagen izquierda  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades ATP-sintetasa (ATPasa F0F1) Oligomérica (formada por varias cadenas polipeptídicas) y grande (˃ 500 Kdaltons) Cabeza: Partícula F1 Funciones: ATP-asa y ATP-sintasa (bomba tipo F) Orientada hacia la matriz 5 tipos de polipéptido diferentes (α3β3δγε) α3β3 (Anillo de 6 unidades) 3 sitios catalíticos (1 en cada β) - δγε: en contacto con F0 Tallo o pedúnculo: Partícula F0 Proteínas transmembranales 3 tipos de polipéptidos (ab2c10-14) Canal de protones formado por las subunidades c Podéishttp://www.youtube.com/watch?v=Ox6XAJCcc48 ver cómo funciona la ATP sintasa en el siguiente enlace: http://www.youtube.com/watch?v=Ox6XAJCcc48  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades El transporte acoplado a través de la membrana mitocondrial interna es impulsado por el gradiente de H+ Figure 14-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Nota: (tema 5). Transporte activo secundario realizado a través de la MMI dependía del gradiente de protones generado previamente por la cadena respiratoria. Este gradiente de protones era disipado parcialmente por estos transportadores, que utilizaban la energía de disipación de este gradiente para impulsar otras sustancias contra gradiente (también vimos otros, por ejemplo, un simporte de calcio y protones, a través de la MMI). Por tanto, el gradiente de protones, no sólo se utiliza para fabricar ATP a nivel de la ATP-sintasa, también se puede utilizar para transportes activos secundarios en la MMI, y otros procesos que veremos más adelante.  Tema 13. Mitocondrias Si el gradiente de protones alcanza un valor excesivo, puede provocar un mal funcionamiento de la cadena respiratoria y 13.1.- Generalidades aumentar la cantidad de especies reactivas del oxígeno (ROS) Proteínas Desacoplantes (UCPs): En todas las mitocondrias. En tejido adiposo mayor cantidad (termogeninas) Son canales de protones que se abren transitoriamente y que disipan (parcialmente) el gradiente de protones cuando es excesivo (regresan a favor de gradiente a matriz mitocondrial). Se cierran cuando recuperan valores normales. Evitan exceso de formación de ROS → reduce estrés oxidativo Esa energía disipada se convierte en calor (no en ATP) 2, 4 dinitrofenol, sustancia artificial → tratamiento personas obesas → pesticida (veneno)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Termogenina: cuya misión principal no es evitar la formación de ROS. Su función principal es el otro efecto, generar calor. Presente en las mitocondrias de los adipocitos del tejido adiposo pardo (grasa parda) y es importante en: recién nacidos y animales que hibernan Cuando los adipocitos de la grasa parda consumen sus reservas energéticas (fundamentalmente grasas), la mayoría de la energía no se emplea en sus mitocondrias para formar ATP, sino que se transforma en calor, ya que éstas tendrán activa la termogenina que disipará el gradiente de protones y generará calor que calienta la grasa parda y con ella la sangre que fluye por los múltiples vasos sanguíneos que atraviesan este tejido y que luego calentará el resto del cuerpo termogenina  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Matriz Mitocondrial: cámara interna En citosol→ glucólisis→ 2 piruvatos por cada glucosa. Piruvato → CO2 en la MMI. Ácidos grasos del citosol también se pueden degradar hasta CO2 en la MMI. Debe entrar tanto piruvato como ácidos grasos desde citosol hacia matriz mitocondrial, atravesando MME, espacio intermembrana y MMI para poder degradarlos En la Matriz mitocondrial: 1. Piruvato-deshidrogenasa: Piruvato → Acetil-CoA 2. Enzimas de la β-oxidación de los ácidos grasos: Ácidos grasos → Acetil-CoA 3. Enzimas del ciclo de Krebs: ✓ Acetil-CoA → CO2 ✓ NAD+ → NADH Recuerda que los sustratos que cedían sus electrones ✓ FAD+ → FADH2 a la cadena respiratoria para que se produzca la fosforilación oxidativa (transporte de electrones, gradiente de protones, ATP sintasa) eran el NADH y el FADH2  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Metabolismo mitocondrial Piruvato y ácidos grasos del citosol → matriz mitocondrial En Matriz mitocondrial: piruvato y ácidos grasos → acetil Co-A Acetil Co-A → ciclo de Krebs, para generar CO 2 (puede salir atravesando la mb. Por difusión simple) El O2 que es necesario también entra atravesando la mb. Por difusión simple Se reducen NAD+ → NADH; FAD → FADH Fosforilación oxidativa: NADH (y el FADH2) se reoxidan a NAD+ (o FAD), cediendo e- a la cadena transportadora. Su aceptor final es el O2 → 2H2O. Transporte de e- favorece gradiente de protones → ATP (ATP sintasa) ATP sale de la mitocondria y ADP + Pi entra Figure 14-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Otras actividades en el metabolismo celular Síntesis ATP a partir de aminoácidos en condiciones de ayuno prolongado. Pj. Degradación de proteínas 1 para usar los aa como fuente de energía. Serán transportados a la mitocondria, y transformados para incorporar los compuestos resultantes al ciclo de Krebs, para ser degradados a CO2 y obtener ATP Regeneración de NAD+, necesario en la glucólisis: Durante la glucólisis, realizada en el citosol, se 2 reduce NAD+ para dar lugar a NADH, este NADH del citosol, debe volver a reoxidarse a NAD+ (de lo contrario, se paralizaría la glucólisis al no quedar NAD+ disponible). La mitocondria participa en la re- oxidación del NADH citosólico, por mecanismos que estudiaréis en Bioquímica. 3 1 2 Figure 14-32 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Tema 13. Mitocondrias 13.1.- Generalidades Otras actividades en el metabolismo celular En condiciones de exceso de nutrientes: las mitocondrias de la célula estarán generando en exceso ATP y 3 citrato (citrato: metabolito del ciclo de Krebs). La célula utilizará éste ATP en rutas anabólicas (de síntesis). Si sobra ATP, parte de este citrato, no será transformado en el ciclo de Krebs para obtener energía en forma de ATP (por los mecanismos que ya hemos estudiado), en lugar de ello, será expulsado citratro fuera de la mitocondria hacia el citosol. El citrato liberado por la mitocondria, una vez esté en el citosol, será transformado para dar lugar moléculas orgánicas y NADPH que se necesitan en rutas de síntesis de moléculas 3 1 2 Figure 14-32 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Tema 13. Mitocondrias 13.2- Genoma mitocondrial Múltiples copias de un único tipo de cromosoma de ADN bicatenario circular y sin histonas (2 – 10 copias de este ADN por cada una de las mitocondrias de la célula). Aunque tenga varias cada mitocondria, todas esas copias son copias del mismo tipo de cromosoma. El cromosoma mitocondrial tiene diferente tamaño en diferentes especies Contiene sólo una pequeña parte de la información genética que la mitocondria necesita. Recuerda: según la teoría endosimbiótica, en los procariotas que dieron lugar a las mitocondrias, gran parte de sus genes se perdieron o fueron transferidos al núcleo de la célula hospedadora (tema 1) Genomas Mitocondriales Mitocondrias En la imagen se ve un alga eucariota unicelular al mic. de fluorescencia. Las mitocondrias presentan un marcaje verde y el ADN presenta un marcaje naranja. Genoma Nuclear Podéis observar que no sólo hay una gran “mancha” naranja que sería el ADN de los cromosomas en el núcleo, sino que también observamos que las mitocondrias (lo que vemos verde) presentan su propio ADN (las “manchitas” de Figure 14-52 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) color naranja dentro de ellas)  Tema 13. Mitocondrias 13.2- Genoma mitocondrial Table 14-3 Molecular Biolo gy of the Cell (© Garla nd Scie nce 20 08) Este ADN tiene secuencias reguladoras pequeñas: la mayor parte del ADN mitocondrial es codificante (ver siguiente diapositiva). Variaciones en el código genético: Aunque se considere que el código genético es universal, en el genoma mitocondrial algunos codones tienen un significado diferente a los del código genético universal (aunque la mayoría de codones se interpretan igual). Incluso hay diferencias entre el código genético mitocondrial de diferentes especies de organismos (ver la tabla)  File:Mitochondrial DNA en.svg Tema 13. Mitocondrias 13.2- Genoma mitocondrial Asa D (Bucle D): Región reguladora que contiene el origen de replicación y las secuencias promotoras de la transcripción (recuerda regiones reguladoras pequeñas) 13 genes que codifican para proteínas de la MMI y que son algunas de las proteínas de los complejos de la cadena respiratoria y de la ATP sintasa 2 genes para ARNr (12 S y 16 S) 22 genes para ARNt (sólo 22 para 20 aminoácidos): (Recuerda El ADN mitocondrial presenta una mayor relajación del código) De las más de 1000 proteínas diferentes de las mitocondrias humanas, sólo 13 de ellas están codificadas en el genoma mitocondrial. Gran parte de los genes importantes paras las mitocondrias fueron transferidos al núcleo y codifican para proteínas que, una vez transcrito el gen correspondiente a ARN y el ARNm maduro correspondiente traducido en el citosol deben ser translocadas post-traducionalmente a la mitocondria  Tema 13. Mitocondrias 13.2- Genoma mitocondrial Ribosomas mitocondriales (mitorribosomas) Se encuentran en la matriz mitocondrial Composición: – Proteínas ribosomales → traducidas en el citosol e importadas a la mitocondria – 2 ARNr → codificados en el ADN mitocondrial y, por tanto, transcritos en la matriz mitocondrial Traducción de proteínas mitocondriales que están codificadas en genoma mitocondrial (En el ser humano = 13 proteínas)  Tema 13. Mitocondrias 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales 1. Síntesis de proteínas mitocondriales: - Mayoría codificadas en el genoma nuclear - Algunas codificadas en el genoma mitocondrial 2. Importación (Translocación) desde el citosol: Figure 14-53 Molecular Biology of the (© Garland Science 2008) Cell Sólo las codificadas en el núcleo. Es post-traduccional: Sintetizadas por completo previamente en citosol y después translocadas a la mitocondria Más del 95% de las proteínas mitocondriales están codificadas en el genoma nuclear y deben ser translocadas a la mitocondria (ADN-polimerasas y ARN-polimerasas mitocondriales; Proteínas de los mitorribosomas; mayoría de proteínas de fosforilación oxidativa; enzimas Ciclo de Krebs, etc.) Translocación muy compleja ya que hay 4 posibles destinos: Membrana mitocondrial externa (MME) Espacio intermembranal Membrana mitocondrial interna (MMI) Matriz mitocondrial  Tema 13. Mitocondrias 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales Ejemplo de secuencia señal en una proteína que debe ser translocada a la mitocondrial (en concreto esta señal indica que debe ser Depende de: translocada hasta la matriz mitocondrial) Secuencias señal: en la proteína a importar: Distintas secuencias señal para diferentes destinos (Por ejemplo, no serán iguales en una proteína que deba ser translocada desde el citosol hasta la MMI, que en una proteína que tenga que ser translocada hacia la MME) Proteínas translocadoras (Translocadores): Complejos proteicos multiméricos de la MME y de la MMI. Compuestos de: – Receptores de señal (parte del translocador que reconoce la señal o señales de la proteína que se tiene que translocar) – Canal translocador (parte del translocador que se encarga de la translocación de la proteína) Tipos de translocador: - En la MME: TOM y SAM - En la MMI: TIM 23, TIM 22, OXA  Tema 13. Mitocondrias 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales Importación (traslocación) de proteínas a la mitocondria Distinta combinación de translocadores, para diferentes destinos. Por ejemplo, para translocar una proteína hacia la matriz mitocondrial, debe pasar desde el citosol hacia el espacio intermembrana (EI) por TOM, y luego desde el EI hacia la matriz por TIM 23. Sin embargo, si el destino no es la matriz, sino que es la MME, el EI, o la MMI, puede que empleen otra combinación de translocadores (TOM y SAM; sólo TOM, TOM y TIM22, etc). En cualquier caso, si una proteína se transloca desde el citosol hacia algún compartimento mitocondrial, siempre pasará al menos por TOM la MME  Tema 13. Mitocondrias 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales La proteína translocada desde el citosol hacia la mitocondria siempre tendrá que pasar al menos por TOM, ya que siempre tiene que atravesar la MME para llegar a su destino final. Translocación de proteínas desde el citosol hacia la matriz mitocondrial: Secuencia señal: Es una secuencia de aminoácidos básicos (con carga +) en extremo N-terminal de la proteína que va a ser translocada Traslocadores necesarios: TOM (En la MME) y TIM23 (En la MMI) Cuando TOM reconoce la señal en la proteína, la va translocando hacia el espacio intermembrana. Cuando asoma la secuencia señal hacia el espacio intermembrana, la parte receptora de TIM23 reconoce la secuencia señal de la proteína → la transloca a través de la MMI hacia la matriz mitocondrial. Una vez la proteína llega a la matriz mitocondrial, la secuencia señal de la proteína será eliminada por una peptidasa y las chaperonas empezarán el plegamiento.  Ejemplo: En translocación de proteínas desde el citosol hacia la matriz Tema 13. Mitocondrias mitocondrial (la que acabamos de ver en la diapositiva anterior) 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales Energía requerida para Importar Proteínas a la mitocondria Hsp60 Figure 12-26 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Proteínas en citosol unidas a chaperonas que las mantienen desplegadas (si la proteína se hubiese plegado antes, no podría pasar por TOM). TOM reconoce secuencia señal → la proteína libera la chaperona → TOM comienza traslocación Las chaperonas hidrolizan ATP TIM23 reconoce secuencia señal → traslocación a interior de la matriz TIM23 necesita un potencial eléctrico de membrana de la MMI (que es el componente eléctrico del gradiente de protones generado por la cadena respiratoria). TIM23 emplea una chaperona para empujar la proteína hacia el interior. La chaperona hidroliza ATP. Una vez en la matriz mitocondrial, una proteasa corta la secuencia señal de la proteína traslocada Chaperonas ayudan a un correcto plegamiento. Hidrolizan ATP  Tema 13. Mitocondrias 13.3- Síntesis y traslocación de proteínas mitocondriales ✓ Lípidos: Importación hacia la mitocondria REL Uno de los mecanismos que utiliza la célula para enviar lípidos a las mitocondrias es las proteínas de transferencia de fosfolípidos: Extraen lípidos de la membrana del REL, los transportan por el citosol y se los Citosol ceden a la mitocondria: Fosfatidilcolina Fosfatidilserina Proteína de transferencia La propia mitocondria no sólo importa lípidos también puede fabricar algunos de de sus lípidos: fosfolípidos Generar fosfatidiletanolamina por descarboxilación de parte la fosfatidilserina que obtuvo del REL También puede fabricar Cardiolipina MME (recuerda que la cardiolipina es un fosfolípido específico de la mitocondria)  Tema 13. Mitocondrias 13.4- Biosíntesis ✓ División mitocondrial: Fisión Proceso Complejo: Durante este proceso de crecimiento y posterior división de la mitocondria, debe mantenerse Integridad de los 4 compartimentos (MME, Espacio Intermembrana, MMI y Matriz) (no deben mezclarse unos con otros) El proceso requiere la contribución de los 2 sistemas genéticos: genoma mitocondrial y genoma nuclear. Necesita: Incorporar más lípidos + duplicar DNA + proteínas (codificadas en citosol y en mitocondria) Duplicación del número de mitocondrias durante toda la interfase del ciclo celular (También duplicación de todas las copias de ADN mitocondrial) y reparto equitativo luego en mitosis. Misma cantidad de ADNmit., en las dos células hijas tras dividión celular. El crecimiento y fisión de mitocondrias también sucede en determinadas situaciones fisiológicas que no implican división celular: Por ej. una cel. muscular muy activa durante cierto tiempo (necesitarán más energía), aumentarán el tamaño, y número de mitocondrias por crecimiento y fisión de las que poseía originalmente, aunque no se vayan a dividir. Si la célula muscular posteriormente no necesita tantas mitocondrias, eliminará el exceso de mitocondrias por autofagia. Observa en el dibujo que, antes de dividirse, la mitocondria habrá crecido y replicado las copias de su ADN  1 2 3 Figure 14-56a y b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) En la imagen vemos, de izquierda a derecha, el mecanismo de fisión: primero, al fusionarse dos crestas mitocondriales (1), se divide en dos la matriz mitocondrial y la MMI que la rodea (pero todavía sólo hay un Espacio intermembrana y una MME. Luego, por formación de un surco en la MME (2), la mitocondria termina de dividirse en dos completamente, cuando la MME se fusiona consigo misma a nivel del surco (3). Recuerda que, en ocasiones, las mitocondrias también se unen unas con otras (fusión de mitocondrias).En los procesos de fusión (cuando se fusionan 2 o más Imagen m.e.t. de mitocondria mitocondrias en una más grande), el proceso es dirigido por otras proteínas de la en pleno proceso de fisión MME y la MMI diferentes a las que dirigen el proceso de fisión, pero básicamente el (fíjate que se encuentra en el proceso general sería el inverso al de la fisión (como si viéramos el dibujo de derecha penúltimo de los estadíos del a izquierda (desde 3 a 2 y de 2 a 1) dibujo (entre (2) y (3))  Tema 13. Mitocondrias 13.5- Mitocondrias y envejecimiento celular Radical superóxido (O2-): Se forma por unión de un electrón a una molécula de O2 como consecuencia de fallos en procesos metabólicos relacionados con el oxígeno. El 90% de este radical superóxido se genera a nivel de la cadena respiratoria mitocondrial (en una mitocondria sana, una de cada 2000 transferencias de electrones, genera un superóxido, en lugar de emplearse en reducir oxígeno a agua). Las especies reactivas del oxígeno (ROS), como el radical superóxido, y otros ROS derivados de éste (como el H2O2) , pueden dañar las moléculas (lípidos, proteínas, ADN) por oxidación. Libera superóxido a nivel de ciertos complejos de la cadena respiratoria.  Tema 13. Mitocondrias 13.5- Mitocondrias y envejecimiento celular La célula tiene enzimas con las cuales puede eliminar especies reactivas del oxígeno: Superóxido-dismutasa (SOD): transforma el radical superóxido en agua oxigenada y oxígeno molecular O2- + O2- + 2H+ → H2O2 + O2 Catalasa o glutatión-peroxidasa: Ya vimos (Tema 12) como la catalasa eliminaba agua oxigenada. La glutatión peroxidasa también puede eliminar agua oxigenada (reduce el agua oxigenada a agua, para transformar glutatión reducido GSH, en glutatión oxidado) H2O2 + 2 GSH → 2H2O + GSSG En la mitocondria y en otras ubicaciones (el citosol, el líquido extracelular) hay distintas versiones de la SOD y de la glutatión peroxidasa, y en los peroxisomas hay catalasa. ESTRÉS OXIDATIVO: Si la formación de ROS es > a la capacidad de eliminación y reparación del daño. La mitocondria está muy expuesta al estrés oxidativo (90% del superóxido). El daño oxidativo mitocondrial hace que mitocondria funcione peor (mutaciones en ADN mitocondrial) y esto perjudica a la célula (menos eficiencia formando ATP), y genera aún más daño oxidativo (porque la mitocondria funciona peor), que provoca más daño mitocondrial. El estrés oxidativo de origen mitocondrial contribuye al envejecimiento de nuestras células  Tema 13. Mitocondrias 13.6- Mitocondrias y apoptosis Previo… Diferencias entre la muerte de una célula por apoptosis y la muerte de una célula por necrosis: Apoptosis Necrosis Pérdida de la adhesión con células vecinas Circunstancias traumáticas Destrucción intracelular Hinchazón Fagocitosis Lisis Ausencia de respuesta Inflamación inflamatoria Lesión tisular La apoptosis es una forma de muerte celular regulada menos dañina para los tejidos que la muerte traumática de la célula por necrosis (implica lisis de la célula y daño a las células cercanas → desencadena mecanismos inflamatorios dañinos para el tejido) Aunque a veces se asocia con ciertos procesos patológicos, por lo general, la apoptosis es una forma de “suicidio celular” que tiene funciones importantísimas en el organismo:  Tema 13. Mitocondrias 13.6- Mitocondrias y apoptosis Previo… Diferencias entre la muerte de una célula por apoptosis y la muerte de una célula por necrosis: - Renovación celular (Mantenimiento número de células): Equilibrio entre formación de células nuevas y eliminación de células viejas por apoptosis. Por ejemplo, hay tejidos que se renuevan continuamente, eliminando células viejas por apoptosis y sustituyéndolas por células nuevas que se generan por la proliferación y diferenciación de células madre - Evitar daños (si una célula dañada, muere por apoptosis, se evitará el daño inflamatorio asociado a la muerte por necrosis) - Desaparición de estructuras (durante el desarrollo, hay ciertas estructuras que deben desaparecer, sus células deben morir, pero por apoptosis, sin provocar daños a otras células)  Tema 13. Mitocondrias 13.6- Mitocondrias y apoptosis La apoptosis se activa en respuesta a ciertos estímulos que activan una cascada proteolítica intracelular mediada por unas enzimas llamadas caspasas. ✓ Activación de caspasas que hidrolizan a otras caspasas para activarlas. Estas últimas caspasas, hidrolizarán toda una serie de proteínas: proteín-quinasas, láminas, citoesqueleto, endonucleasas, proteínas de adhesión celular; esto conduce a la muerte de la célula por apoptosis. Estímulos apoptóticos: – Estímulos externos (extrínsecos). Que vienen de fuera de la célula. Por ejemplo, existen ciertas moléculas señal procedentes de otras células que al unirse a un receptor (receptores de muerte) en la membrana de la célula, puede activar las caspasas iniciadoras y poner en marcha la apoptosis. – Estímulos internos (intrínsecos) : daño genético irreparable, Hipoxia, [Ca2+] elevada en citosol, estrés oxidativo, virus,… Pueden desencadenar también la activación de caspasas y con ello la apoptosis, pero para ello es necesaria la participación de la mitocondria  Tema 13. Mitocondrias 13.6- Mitocondrias y apoptosis Por tanto, la vía intrínseca de activación de la apoptosis depende de la mitocondria: En respuesta a un estímulo intrínseco: 1. Liberación de citocromo c desde el espacio intermembrana de la mitocondria hacia el citosol. 2. En el citosol, varias moléculas de citocromo c, se unen a varias moléculas de Apaf 1 (apoptotic protease activating factor 1) y se forma un complejo llamado apoptosoma donde se activa la caspasa 9 Una vez activa, la caspasa 9, desencadena la activación de la cascada de CASPASAS y, por tanto, la apoptosis  Tema 13. Mitocondrias 13.7- Enfermedades mitocondriales Provocadas por: – Mutaciones heredadas – Mutaciones adquiridas Muchas son deletéreas (dañinas) ARNts → las más graves: si está mutado un gen que codifica para una de las proteínas codificadas en el ADN mitocondrial se verá afectada esa proteína, pero si está mutado el gen de uno de los ARNt mitocondriales afectará a las 13 proteínas que se traducen en las mitocondrias) NOTA: También hay enfermedades mitocondriales provocadas por mutaciones en ADN nuclear (si afecta a genes del núcleo que codifican para proteínas de la mitocondria). Por ejemplo, si afecta a un gen que codifica una enzima mitocondrial de la síntesis de cardiolipina, las mitocondrias no podrían fabricar ese lípido. Nos centraremos en las provocadas por mutaciones en el ADN mitocondrial  Tema 13. Mitocondrias 13.7- Enfermedades mitocondriales Heteroplasmia: Poblaciones mixtas de mitocondrias en las células del individuo (cuando la mutación en el ADN mitocondrial está en algunas de las mitocondrias de la célula, pero también hay mitocondrias sin la mutación en la célula) Segregación mitótica al azar: Una célula heteroplásmica antes de dividirse habrá duplicado el número de mitocondrias. Es posible que, si comparamos las dos células hijas, aunque cada una de ellas reciba la mitad de las mitocondrias, alguna de las dos se lleve una mayor proporción de mitocondrias mutantes y la otra una menor proporción. Si pensamos en la concepción de un individuo que herede una mutación mitocondrial en heteroplasmia, cuando el zigoto se multiplique la segregación al azar provocará una diferente cantidad ADN mitocondrial mutante en diferentes tejidos Efecto umbral: Superación de una cantidad umbral de ADN mutantes para que se produzca daño en las células del tejido (diferente umbral en diferentes tejidos). Tenemos que tener en cuenta que diferentes tejidos tienen un umbral de tolerancia diferente. Ej. El tejido Muscular y Nervioso necesitan más ATP, toleran peor el mal funcionamiento de las mitocondrias → umbral de tolerancia al ADN mitocondrial mutado más bajo → más frecuente que individuos que presentan mutaciones en el ADN mitocondrial presenten síntomas relacionados con estos tejidos Teniendo en cuenta la heteroplasmia, la segregación mitótica al azar y el efecto umbral, nos encontramos con que la misma mutación en el ADN mitocondrial puede provocar distintos síntomas en distintos individuos (distintos tejidos afectados) y distinta gravedad y distinta edad de inicio de los síntomas  Tema 13. Mitocondrias 13.7- Enfermedades mitocondriales Las enfermedades provocadas por mutaciones en el ADN mitocondrial presentan una herencia materna no Mendeliana (El espermatozoide no aporta mitocondrias al zigoto, el óvulo sí) Identificación de enfermedades producidas por mutaciones mitocondriales rastreando el árbol genealógico Consecuencias de enfermedad mitocondrial: – Disminuirán la producción de energía (en forma de ATP) – Generarán más calor – Generarán más radicales libres que dañan la célula por oxidación. El daño oxidativo afecta a las propias mitocondrias (círculo vicioso: daño a la mitocondria, provoca mal funcionamiento mitocondrial, que provoca aún más daño mitocondrial). De hecho, el ADN mitocondrial tiene mayor tasa de mutación que ADN nuclear (peor sistema de reparación y mayor exposición a los ROS). Si hay enfermedad mitocondrial esto se ve agravado  Tema 13. Mitocondrias 13.7- Enfermedades mitocondriales Citopatías mitocondriales (qué cambios podemos observar a nivel celular) ✓ Con el microscopio electrónico vemos: Alteraciones en tamaño, número y patrón de las crestas mitocodriales Aumento del número de mitocondrias con inclusiones cristalinas junto a gránulos de lipofucsina (un tipo de cuerpo residual) ✓ Con el microscopio óptico vemos: La alteración morfológica más característica es la presencia de fibras "rojo-rotas" (ragged-red) en el músculo esquelético (no se encuentran en todas las enfermedades mitocondriales). Se ponen de manifiesto con tinción tricrómica de Gomori