Biologia cel·lular Laura Piñero Tema 15.pdf

TEMA 15. MITOCONDRIS I PEROXISOMES 15.1 MITOCONDRIS Els mitocondris ocupen una gran part del citoplasma de les cèl·lules eucariotes i han estat essencials per a l’evolució en animals pluricel·lulars. Sense elles els animals actuals dependrien de la glucòlisi anaeròbia, la qual aporta insuficient d’e...

TEMA 15. MITOCONDRIS I PEROXISOMES 15.1 MITOCONDRIS Els mitocondris ocupen una gran part del citoplasma de les cèl·lules eucariotes i han estat essencials per a l’evolució en animals pluricel·lulars. Sense elles els animals actuals dependrien de la glucòlisi anaeròbia, la qual aporta insuficient d’energia a la cèl·lula. Pràcticament totes les cèl·lules eucariotes tenen mitocondris. Els mitocondris són orgànuls aproximadament cilíndrics, mòbils i plàstics que canvien constantment de forma, inclús es fusionen uns amb altres i es tornen a separar. El seu procés de síntesi previ a la divisió i la pròpia divisió, no es limiten a una fase del cicle cel·lular, sinó que es produeixen durant tot el cicle (altra prova del seu origen extern). Són similars als bacteris i fan de 1 um a 0,5 um de diàmetre. Mitocondris 176 Fan de 1 a 0’5 micròmetres. Matriu mitocondrial: Part interna del mitocondri. Hi ha molts enzims perquè és on es donen moltes vies metabòliques. Membrana interna: molt específica i amb crestes. Té fosfolípids especials, i tot el pas de molècules que passa per aquí és molt específic. Els mitocondris tenen crestes en la membrana interna per a augmentar la superfície. Com més crestes mitocondrials, més ATP generen. Molt impermeable. Membrana externa: No és tan específic. Les folines permeten el pas de molècules petites (sense especificitat). Espai intermembrana: És l’espai que està delimitat per la MME i la MMI. Està ple de proteïnes solubles (enzims), i, a més a més, és un lloc d’acumulació de protons (H+). Conté varis enzims que utilitzen l’ATP que surt de la matriu per fosforilar altres nucleòtids. També conté proteïnes que s’alliberen durant l’apoptosi. 15.2 COM ESTUDIAR ELS DOMINIS DELS MITOCONDRIS Per estudiar els mitocondris, es van aïllar per centrifugació diferencial. Els mitocondris intactes es posen en una dissolució de baixa osmolaritat. De manera que la membrana externa reventa (la interna no perquè té molts plegs i es pot expandir). De manera que en el sobrenedant queden les molècules de l’espai intermembrana. Si es torna a centrifugar amb gradient de densitat del precipitat, en un medi amb alta osmolaritat, queda la membrana externa i l’interior de la matriu en el sobrenedant. Mentre que en el precipitat hi quedava la membrana interna. Així es separen els components del mitocondri i es pot estudiar quina funció té cada part. Per a estudis morfològics i fisiològics, els mitocondris es poden aïllar sencers, o bé se’n poden separar cadascuna de les seves parts. Veure el gràfic explicatiu sobre aquestes tècniques. 177 15.3 MEMBRANES MITOCONDRIALS MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA La membrana mitocondrial externa (OMM) conté el 6% de la proteïna mitocondrial. És molt permeable, conté porines (amples canals aquosos a través de la bicapa lipídica, per això la membrana és permeable inclús per a petites proteïnes; per això l’espai intermembrana és químicament semblant al citosol). S’associa amb el reticle endoplasmàtic (MAMs: mitochondria-associated membranes). Hi ha també els receptors de les proteïnes sintetitzades al citosol que hauran d’entrar al mitocondri. Hi ha molt poc colesterol. Hi ha patologies associades a l’increment de colesterol als mitocondris, com la cirrosi. MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA La membrana mitocondrial interna (IMM) té moltes proteïnes (21% de la proteïna mitocondrial); més que lípids, atès que s’hi troben tots els enzims de la cadena respiratòria. Entre d’altres, conté l’ATP-sintetasa. És molt impermeable, només deixa passar molècules molt concretes, està replegada en crestes, i conté cardiolipina, els enzims de la cadena respiratòria i l’ATP sintasa. La cardiolipina permet que la membrana es pugui corbar. Interessa que aquesta membrana sigui corbada i no tan rígida (per això no té colesterol). La cardiolipina és un fosfolípid no es troba en cap altre lloc de la cèl·lula. La seva estructura dóna rigidesa 178 suficient per a permetre l’acumulació de protons a l’espai intermembrana. També té proteïnes transportadores per a fer-se permeable a petites molècules com el piruvat, el lactat, àcids grassos i fins i tot l’Acetil-CoA. És un marcador de mitocondris. MATRIU MITOCONDRIAL I la matriu mitocondrial té el 67% de la proteïna mitocondrial (molt rica en proteïnes), conté els enzims de les reaccions bioquímiques, conté el DNA mitocondrial (mtDNA) i els ribosomes i tRNAs mitocondrials. 15.4 DNA MITOCONDRIAL (MTDNA) Herència materna Quan es fecunda un òvul els mitocondris que queden són només de la mare, ja que els mitocondris del espermatozoides no entren a l’òvul i si entren són destruïts. I és que els mitocondris foren procariotes fagocitats. Encara té un DNA mitocondrial. 13 de les moltes proteïnes que necessita el mitcondri per a la cadena respiratòria són codificades pel DNA del mitocondri. El mtDNA és circular bicatenari. Codifica per 13 proteïnes de la cadena de transport d’electrons, 2 rRNAs (ribosomes mitocondrials) i 22 tRNAs. Això suposa menys de l’1% de totes les proteïnes que té el mitocondri. Per tant, la informació per a la síntesi de la majoria de les proteïnes del mitocondri es troba al DNA nuclear. És a dir, són sintetitzades al citosol en ribosomes lliures i, posteriorment, dirigides al mitocondri gràcies a un senyal específic. Hi ha un número variable de mtDNA per cèl·lula, s’hereta per herència materna, no pateix recombinació i pateix un alt número de mutacions. El DNA del mitocondri no té sistemes de reparació. A més, hi ha heteroplàstia: no totes les cadenes de DNA dels mitocondris són iguals. 179 A més, com veiem en la taula següent, hi ha algunes combinacions de bases nitrogenades que no codifiquen pels mateixos aminoàcids que en el codi genètic universal. Fixem-nos en la imatge anterior, que els mitocondris no tenen una cadena de DNA, sinó que tenen diferents punts on hi ha DNA. 15.5 ORIGEN DELS MITOCONDRIS 180 La teoria endosimbiòntica de Lynn Margulis és la més acceptada. 15.6 MITOCONDRIS: LOCALITZACIÓ I FUNCIÓ En principi totes les cèl·lules tenen mitocondris. En les cèl·lules musculars, es troben al voltant de les miofibriles contractils per a donar-los energia. En els espermatozous, els mitocondris es troben en la zona intermèdia entre el cap i la cua. Estan disposats donant voltes al voltant del cor del flagel, que també necessita molta energia per a poder moure la cua. A la membrana basal de les cèl·lules epitelials polaritzades existeixen múltiples sistemes de bombeig de Na+, protons, etc. És, per tant, un sistema que requereix de molt ATP. En conseqüència, per microscòpia electrònica s’han identificat molts mitocondris enganxats a la membrana bassal subministrant contínuament ATP a aquesta estructura. Als lipid droplets s’ha observat que sovint els lipid droplets estan units a mitocondris. Això és degut a què existeix un intercanvi continu d’àcids grassos i colesterol entre els cossos lipídics i el mitocondri, per la beta oxidació d’àcids grassos o altres procesos. Per tant, el metabolisme dels dos orgànuls està estretament relacionat. S’originen en regions específiques del reticle endoplasmàtic. (Ho hem vist en hepatòcits però més o menys es pot trobar en tot tipus de cèl·lules). 15.7 DINÀMICA MITOCONDRIAL Els mitocondris es mouen per la cèl·lula constantment. Els mitocondris i els microtúbuls es troben en les mateixes regions. I és que estan units als microtúbuls, que són els que els permeten el moviement. 181 A més, els mitocondris tenen un cicle de divisió i fusió molt dinàmic i independent del de la cèl·lula. Es divideixen i funcionen molt. No es poden generar de zero. Si hi ha malfuncionaments es passen aquests defectes a les cèl·lules filles. Si hi ha un mitocondri danyat, que ha acumulat moltes mutacions o ha generat molt ROS, si la cèl·lula està sana, l’aïlla, i el trenca per mitofàgia. S’aïlla el problema de la resta. Si el problema persistís, la membrana danyada del mitocondri desprendria citocrom c i la cèl·lula mor d’apoptosi. Per a tallar-los, el RE l’envolta, aplica força mecànica. S’escanya pel centre fins que es talla. Porten cap allà proteïnes anomenades dynamin-related proteins, RP1 (fent consum d’ATP s’escanya el mitocondri fins tallarlo). Fissió. 182 També es poden fusionar. Primer s’uneixen les membranes externes, i després s’ajunta la interna. 15.8 MITOFÀGIA El tros de mitocondri danyat es talla i trenca. El dany pot ser degut a químics tòxics, com H2O2, augment de ROS (productes químics amb oxígens que són molt reactius, com per exemple, H2O2; entre altres coses poden produir mutacions del mtDNA), mutacions o pèrdues del mtDNA (i se’n troba al citosol), disminució del potencial del mitocondri, o reducció de la producció d’ATP. El mitocondri danyat queda marcat. El fagòfor l’envolta. Queda envoltat per un autofagosoma (de doble membrana). Es fusionarà amb un lisosoma, amb enzims digestius a l’interior, i es degradarà el mitocondri. 183 Això es dona per: • Mitofàgia basal. Manteniment. Els més danyats, es degraden. Sistema de neteja. Es dona, sobretot, en el cor, el sistema neural, fetge, ronyons i esquelet muscular. Perquè són teixits que produeixen i gasten molta energia, de manera que n’hi ha que es danyen. • Mitofàgia induïda per estrès. S’ha fet treballar molt als mitocondris, i han quedat afectats, i el sistema els trenca. També pot ser degut a la hipòxia (metabolisme sense oxigen, i es forma lactat i menys energia), que resulta en una reducció dels mitocondris (perquè si es fa metabolisme glucolític, no calen mitocondris). • Mitofàgia programada. Els mitocondris dels espermatozous s’han de trencar quan entrin a l’oòcit. Els eritròcits, al madurar, els perden atès que no els necessiten (així com el nucli) i es trenquen. 184 15.9 FUNCIONS DEL MITOCONDRIS 1. Producció d’ATP. 2. Regeneració de NAD+. Per a produir ATP, oxida en NADH i els seus electrons permeten que es doni la cadena respiratòria, indueixen el pas de H+ a l’espai intermembranós (hi ha una diferència de protons en ambdós cantons) i l’ATP sintasa produeix ATP. Així com hi ha una bomba en els lisosomes que trenca ATP per a treure protons, aquí es deixa passar protons per obtenir ATP. 15.10 CADENA DE TRANSPORT D’ELECTRONS La membrana interna és molt impermeable als protons. Els protons es troben en major quantitat a l’espai intermembranós i, al passar per l’ATP-sintasa, es produeixen 32 ATP a partir d’una glucosa. Els enzims de la cadena respiratòria es troben a la membrana interna del mitocondri, i posen els H+ de la matriu a l’espai intermembrana. 15.11 UNCOUPLING PROTEINS (UCPS) Uncoupling proteins (UCPs) trenquen el gradient de protons, deixant-los passar a la matriu, sense obtenir energia. Això es dona quan s’està acumulant massa ROS per a contrarestar-los, perquè no se sobresaturi el sistema. O bé es dona en el teixit adipós marró, en el qual les UCPs deixen passar H+ desprenent, en comptes de ATP, calor. Això últim es dona per exemple en el teixit adipós marró dels nadons per a escalfarlos. 185 15.12 MÉS FUNCIONS DELS MITOCONDRIS 3. Aprovisionament de precursors per la biosíntesi d’aminoàcids, nucleòtids i àcids grassos. 4. Síntesi de grups hemo. 5. Reservori de Ca2+. I se secreta quan sigui necessari. 6. Generació de ROS (reactive oxigen species). 7. Regulació de l’apoptosi. 186 15.13 APOPTOSI Quan s’activa l’apoptosi pot ser degut a un dany al DNA, o el RE té molt estrès. Un citocrom surt del mitocondri perquè es permeabilitza la membrana dels mitocondris. Així, s’activa la via de les capsases, que són proteïnes que tallen diferents substrats. De manera que una cèl3lula que estava normal, es condensa el DNA, es formen bombolles a la membrana, i es mor. 15.14 IMPORTACIÓ DE PROTEÏNES ALS MITOCONDRIS La majoria de proteïnes mitocondrials estan codificades al DNA de la cèl·lula i sintetitzades al citosol. Al mitocondri no se li fusionen vesícules, no forma part de la via endocítica. Les proteïnes transmembrana li arriben a través dels sistemes TOM (translocator Outer Membrane) i TIM (translocator Inner Membrane). Les proteïnes tenen seqüències senyals que li diuen que han d’anar al mitocondri. Al fer-se la proteïna, se li posen xaperones per evitar que es pleguin del tot. La seq senyal és reconeguda pel import receptor, tom 187 20/22, s’hi uneix i s’uneix amb el complex TIM 23, de la membrana interna. S’uniexen els dos complexos, tom i tim (els dos són canals de pas de les proteïnes que han d’entrar al mitocondri), i la proteïna passa per les dues membranes alhora. Un cop a dins, s’allibera la proteïna a la matriu i s’acaba de plegar. Les porines, que fan pors a la membrana i permeten el pas de petits pèptids, de menys de 5 daltons (?), són proteÍnes que s’han d’insertar a la membrana externa del mitocondri. El complexe tom les deixa passar, un cop a dins l’espai intemembranós fan falta xaperones que li cobreixin les parts hidrofòbiques. A continuació el complexe SAM fa que la proteïna s’inserti en la membrana externa, i després es plega completament. 15.15 CONTACTES ENTRE MITOCONDRIS I ALTRES COMPARTIMENTS Els mitocondris entren en contacte amb el RE. Aquest contacte permet estrangular i fisionar els mitocondris. També permeten el transport de calci, la inducció de la mitofàgia... També pot interaccionar amb altres compartiments, com perixosomes... 188 15.16 CONTACTES ENTRE MITOCONDRIS I RETICLE ENDOPLASMÀTIC Funcions contacte mitocondris i RE: • Tràfic de fosfolípids. • Dinàmica mitocondrial, fusió i fisió. • Senyalització de Ca2+. • Resposta de proteïnes no plegades. • Iniciació apoptosi. • Formació d’autofagosomes. 189 15.17 PEROXISOMES PEROXISOMES Orgànul de membrana única, que solen tenir precipitats al seu interior (estructura més electrodensa). Són relativament rodones, però a vegades tenen petites prolongacions. 15.18 FUNCIONS DELS PEROXISOMES • Metabolisme lipídic. B-oxidació d’àcids grassos de cadena llarga. Al fer-ho, s’obté peròxid d’hidrogen (H2O2, un ROS). • Oxidació de la cadena lateral del colesterol. • Oxidació d’aminoàcids, àcid úric i altres substrats. • Detoxificació de substrats (ex. Etanol), produint H2O2. • Detoxificació de H2O2 a través de la catalasa (reacció peroxidació): 190 Es troben en totes les cèl·lules, i sobretot en el fetge. 15.19 SÍNTESI DE PLASMALÒGENS Els plasmalògens són fosfolípid que es sintetitzen als peroxisomes i es troben a les baines de mielina de les neurones. 191 15.20 SÍNTESI DE PEROXISOMES Via mixta. Es sintetitzen a través del RE i, a més, li arriben proteïnes des del citosol. Quan una proteïna ha d’entrar en un peroxisoma, té una seqüència senyal a l’extrem C anomenada PTS1 (seq senyal exclusiva per entrar al peroxisoma). 15.21 INTERACCIÓ DELS PEROXISOMES AMB ALTRES ORGÀNULS Poden interaccionar amb els mitocondris, lisosomes, RE... Quan AG estan degradats a AG més petits, els passa al mitocondri perquè es doni la resta de la B-oxidació. A més, entren en contacte amb els lípids droplets per a obtenir els AG per a degradar-los. 192