TEMA 8. MITOCONDRIAS, CLOROPLASTOS Y PEROXISOMAS PDF

TEMA 8. MITOCONDRIAS, CLOROPLASTOS Y PEROXISOMAS Estructura y función. Biogénesis Para la síntesis de ATP las mitocondrias y los cloroplastos emplean complejos de proteínas localizados en sus membranas internas (como las células procariotas) El análisis de su DNA (“orgánu...

TEMA 8. MITOCONDRIAS, CLOROPLASTOS Y PEROXISOMAS Estructura y función. Biogénesis Para la síntesis de ATP las mitocondrias y los cloroplastos emplean complejos de proteínas localizados en sus membranas internas (como las células procariotas) El análisis de su DNA (“orgánulos semiautónomos”) apoya su origen procariota dada su alta homología aunque la mayor parte de su genoma original se ha perdido o ha sido transferida al núcleo Importan la mayoría de sus proteínas desde el citosol mediante transporte transmembrana la adquisición de estas proteínas durante la evolución les ha permitido adquirir funciones diferentes a la síntesis de ATP (p.e. síntesis de hormonas esteroideas) Origen de los peroxisomas incierto: comparten mecanismos de importación con mitocondrias y cloroplastos, pero sólo tienen una membrana; especializados también en reacciones de oxidación NUCLEUS Fig 14-1 Molecular Biology of the Cell, 6th ed (© Garland Science 2015)  El condrioma: densidad, morfología y distribución de las mitocondrias verde Janus morfología globular/compacta morfología tubular/reticular Tom20  La organización del condrioma depende de su interacción con el citoesqueleto Distribución preferente de las mitocondrias en zonas de gran actividad y necesidad de ATP cardiomiocito célula del epitelio renal espermatozoide Subcompartimentos y componentes mitocondriales MEMBRANA EXTERNA Subcompartimentos y componentes mitocondriales - 60% proteínas / 40% lípidos - porinas (VDAC, mitochondrial voltage-dependent anion channel): estructura en barril-beta; canales acuosos permeables a moléculas Pm < 5 kD; regulan el flujo iónico y VDACs metabólico entre el citosol y la mitochondria, señalización en apoptosis H+ H+ - enzimas para la síntesis de algunos lípidos mitocondriales - translocasas, chaperonas, mitofusinas MICOS H+ H+ MEMBRANA INTERNA - 80% proteínas / 20% lípidos (cardiolipina, sin colesterol) (≅ memb. interna procariota) - enzimas de la c.t.e. y de la fosforilación oxidativa - translocasas, chaperonas, mitofusinas, complejos MICOS - muy impermeable Modificada de  La membrana interna contiene 3 dominios Complejos MICOS (MItochondrial Contact Site and Las zonas de curvatura son esenciales en la organización Cristae Organizing System) de las crestas y su funcionamiento (síntesis de ATP y translocación de proteínas entre subcompartimentos) Complejos F1F0-ATP sintasa crestas sin conectar crestas hiperfusionadas (ATP sintasa) 3 2 1 mic60 Kühlbrandt et al. BMC Biology (2015) 13:89 Fig 14-61 Molecular Biology of the Cell Current Opinion in Cell Biology 2016, 41:33-42 Regulación de la curvatura de la membrana interna Los complejos MICOS y ATPsintasa se sitúan en zonas de curvatura de la membrana ricas en cardiolipina, que facilita la inserción y formación de estos complejos (algunas subunidades MICOS tienen dominios ApoO de unión a la cardiolipina) Los complejos MICOS interaccionan con translocasas y porinas en puntos de intercambio preferente de moléculas con el citosol (ej. MIC60); también implicados en procesos de fusión CARDIOLIPINA Current Opinion in Cell Biology 2016, 38:45-51 Las crestas como subcompartimentos mitocondriales OPA1 (Optic Atrophy 1, relacionada con las dineínas) regula la arquitectura del cuello de las crestas y los procesos de fusión de membranas (junto a otras proteínas abundantes en dominios con cardiolipina) La fuerza y estabilidad de las uniones mediadas por OPA1 disminuyen ante estímulos apoptóticos y por necesidades esteroidogénicas de la célula La apertura/cierre de las crestas ayuda a regular las concentraciones de moléculas en su interior, p.ej. H, afectando a la eficiencia energética resultante de su disipación por la ATP sintasa (crestas más estrechas son más eficientes) OPA1 integral OPA1 periférica salida de cit. c seguida de fragmentación mitocondrial y apoptosis cit. c se mantiene dentro de las crestas Current Opinion in Cell Biology 2016, 38:45-51  MATRIZ MITOCONDRIAL - DNA: - doble helicoide circular no unido a proteínas - de herencia materna - codifica RNAm (para 13 proteínas), RNAr, RNAt - ribosomas (similares a los de procariotas): - tamaño: 55S-60S - inhibición por cloranfenicol - la síntesis proteica se inicia con N-formil-Met - componentes solubles: enzimas para β-oxidación de ácidos grasos y ciclo de Krebs DNA nuclear (Translocase of the Outer Membrane) DNA mitocond. mit TOM (Translocase of the Inner Membrane) Fig 14-59 Molecular Biology of the Cell, 6th ed (© Garland Science 2015) Fig 14-61 Molecular Biology of the Cell, 6th ed (© Garland Science 2015)  Importación de proteínas a las mitocondrias Las proteínas importadas llevan una secuencia señal N-ter que forma una hélice anfipática Las mitocondrias tienen una dotación de translocasas y chaperonas para la incorporación de proteínas a sus membranas y compartimentos La puerta de entrada es el complejo TOM (Translocase of the Outer Membrane; sub. receptora, translocón, sub. accesorias) Para otros destinos, las proteínas llevan señales Figure 12-20, 12-22 Molecular Biology of the Cell adicionales y participan más Importación de una proteína de la matriz: translocasas y chaperonas Asignatura: DINÁMICA INTRACELULAR Biogénesis y dinámica mitocondrial  La dinámica mitocondrial constituye un sistema de control de calidad y reciclaje del condrioma para adaptarlo a las necesidades energéticas y funcionales Si defectos numerosas patologías, e.j. enferm. neurodegenerativas Los ciclos de fusión y fisión mitocondrial regulan la forma, el tamaño y la distribución de los elementos del condrioma Elementos globulares facilitan diversos procesos celulares (mitofagia, división, apoptosis) Elementos tubulares/ramificados son funcionalmente más equilibrados Reparto y reciclaje del condrioma x n ciclos Unificación y regeneración de la funcionalidad del condrioma  Los ciclos de fisión/fusión llevan aparejadas remodelaciones de las crestas, que afectan a la eficiencia funcional (la organización tubular/reticular es una configuración más funcional) Simultáneamente se producen cambios en la distribución del condrioma, mitofagia de mitocondrias senescentes, etc. mit. globulares mit. tubulares OPA1 Cogliati et al. Trends in Biological Sciences 41(3):261-273 (2016)  Mecanismos moleculares responsables de la fusión y fisión mitocondrial Tubular TOM20 Fragmented Hyperfused Mitofusin 1 (Mfn1) and Dynamin related protein 1 (Drp1) Knockdown (Kd) mouse embryonic fibroblasts cells  Fusión mitocondrial Participación secuencial de las mitofusinas MFN1 y MFN2 en la fusión de la membrana externa y de OPA1 en la fusión de la membrana interna MFN1 MFN2 OPA1 dimerización, oligomerización activ. GTPasa, cambio conformacional, fusión de membranas Fig 14-64 Molecular Biology of the Cell, 6th ed (© Garland Nat Rev Mol Cell Biol (2020) 21:204-224 Science 2015) Modificada  Fisión mitocondrial Otras membranas (plasmática, RE) actúan como puntos de anclaje y generación de fuerzas Las GTPasas Dnm1/DRP1 y los complejos de actomiosina producen la fisión ERMES (Endoplasmic Reticulum Mitochondria Encounter Structure) En levaduras DNA (dinamina, GTPasa) (motor molecular) (complejo de anclaje) Nat Rev Mol Cell Biol (2020) 21:204-224 Current Opinion in Cell Biology 2015, 35:1–6 Las mitocondrias participan en distintas funciones mediante la formación de contactos con otros compartimentos y la generación de vesículas membranosas Nat Rev Mol Cell Biol (2020) 21:204-224 Fig. 1 Las mitocondrias participan en distintas funciones mediante la formación de contactos con otros compartimentos y la generación de vesículas membranosas Box 2 ERMES La comunicación (crosstalk) entre mitocondrias y RE en los sitios de contacto entre sus membranas (ERMES) es esencial para la fisiología celular, especialmente para la homeostasis del Ca2+, la biosíntesis lipídica y la respuesta celular a diferentes tipos de estrés. Su alteración provoca distintas enfermedades metabólicas: obesidad, resistencia a la insulina, hipertensión e hipertrofia cardíaca, etc. Nat Rev Mol Cell Biol (2020) 21:204-224 Fig. 1 Plastos: estructura, composición y función Grupo de orgánulos heterogéneo en forma, tamaño, color, composición y función Son responsables de la síntesis de moléculas clave en la función de los vegetales: pigmentos, compuestos de reserva, lípidos, terpenos, etc. Todos derivan de formas inmaduras (proplastos) en los meristemos; gran plasticidad en respuesta a condiciones ambientales cloroplastos leucoplastos cromoplastos proteinoplastos proplasto Diferenciación e interconversión entre diferentes tipos de plastos amiloplastos proteinoplasto  La localización de los cloroplastos depende de su estado de diferenciación: posición periférica alrededor de la vacuola en células diferenciadas diferenciación Muy abundantes en el parénquima fotosintético, distribución según la iluminación ambiental - luz poco intensa: en las paredes periclinales, para absorber el máximo de luz - luz muy intensa: en las paredes anticlinales, para reducir el daño por UV - oscuridad: en las paredes basales ¿significado? Wada &Kong. J Cell Sci 2018 131: jcs210310 doi: 10.1242/jcs.210310 Componentes y compartimentos de los cloroplastos Envoltura con doble membrana: Membrana tilacoidal: - composición: 60% proteínas / 40% lípidos - composición: 38% proteínas, 50% lípidos, 12% pigmentos - espacio intermembrana o periplástico (10-30 nm) - sin pliegues Asignaturas: BIOENERGÉTICA BMP (lamellae) Fase luminosa pH 5,5 Estroma pH 8 - DNA (doble helicoide circular) Fase oscura - ribosomas 70S, inhib. por cloranfenicol - síntesis prot. inicia con N-formil-Met - RNAr, RNAt, proteínas (100 proteínas aprox. en ribosomas, sistemas fotosintéticos y c.t.e-) - inclusiones lipídicas, gránulos de almidón - otras funciones biosintéticas:aas y ácidos grasos, bases nitrogenadas, vitaminas, hormonas, etc - asimilación del N y S  Importación Importación de proteínas a los de proteínas a los cloroplastos cloroplastos Importación a las membranas de la envoltura y al estroma: similitudes con mitocondrias (secuencia señal anfifílica en extremo N-ter, translocasas) por convergencia evolutiva No existe gradiente de protones entre espacio periplástico y estroma: gasto de ATP/GTP Asignatura: DINÁMICA Figure 12-26 Molecular Biology of the Cell, 6th ed INTRACELULAR Importación al tilacoide: existen distintos sistemas de transporte  Peroxisomas: estructura, composición y función Membrana simple, sin DNA/RNA/ribosomas (origen incierto) Alto contenido en enzimas para la oxidación de sustratos orgánicos (ureato oxidasa, Acil-CoA oxidasa, D-aas oxidasa, etc.) + catalasa FUNCIONES Metabolismo lipídico: - β-oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga - α-oxidación de ácidos grasos ramificados https://doi.org/10.1016/j.cmet.2014.01.002 Cell Metabolism (2014) 19(3), 380–392 - síntesis de lípidos-éter (ej. plasmalógenos) y ácidos biliares Destoxificación de compuestos orgánicos (alcohol, ác. fórmico, formaldehído, etc.) y peróxido de hidrógeno  Interdependencia entre peroxisomas, mitocondrias y RE en el metabolismo lipídico (en células animales; en cél. vegetales estos procesos tienen lugar exclusivamente en los peroxisomas) Los VLCFAs y BCFAs son transferidos desde el RE y las mitocondrias hasta los peroxisomas para una primera ronda de oxidación, antes de completar la β-oxidación en las mitocondrias La síntesis de ácidos biliares en los hepatocitos se completa entre el RE y los peroxisomas Si fallan estas funciones se altera el metabolismo del colesterol en el RE Physiology (2010) 25(6): 347-356 DOI: 10.1152/physiol.00025.2010 Defectos en la biogénesis y función de peroxisomas conllevan la acumulación de metabolitos intermediarios y graves alteraciones durante el desarrollo embrionario al ser muchos lípidos importantes en el proceso de diferenciación celular (p.ej. lípidos-éter tienen función señalizadora) Mutaciones en genes PEX, que codifican peroxinas dan lugar a biogénesis anormal de peroxisomas. Enfermedades peroxisomales.  Biogénesis e importación de proteínas a los peroxisomas Biogénesis compleja: vesículas desde el RE (1,2), importación de proteínas desde el citosol (3), fisión (4), vesículas desde las mitocondrias (MDVs) (5) Muchas proteínas peroxisomales llevan una señal –Ser–Lys–Leu–COO- reconocida por receptores solubles del citosol que las dirigen hasta translocasas en la membrana para su inserción en ella o para pasar al lumen (peroxinas) 1 Peroxinas (Pex) COPII 4 3 2 5 MDVs Vía independiente de COPII Fig 12-30 Molecular Biology of the Cell 6th ed Modificada  En las células vegetales existen dos tipos de peroxisomas En las hojas, las reacciones de la En las semillas, un tipo de peroxisomas fotorrespiración fotorrespiración ocurren sucesivamente llamados glioxisomas, realizan las en: reacciones de transformación de los ácidos grasos de los lípidos de reserva en ácido succínico (ciclo del glioxilato), utilizado después en el citosol para sintetizar glucosa, empleada para la germinación TEMA 8 LECTURAS RECOMENDADAS Alberts et al., 2015, 7ª ed., Ed. Omega - Cap. 12. Compartimientos intracelulares y clasificación de proteínas Becker et al., 2008, 6/7ª ed., Pearson/B. Cummings - Cap. 12. Compartimentos intracelulares LECTURAS COMPLEMENTARIAS Giacomello M et al. (2020) The cell biology of michondrial membrane. Nat Rev Mol Cell Biol 121:204-224 doi: 10.1038/s41580-020-0210-7 Jarvis P & López-Juez E (2013) Biogenesis and homeostasis of chloroplasts and other plastids. Nat Rev Mol Cell Biol 14:787-802 doi: 10.1038/nrm3702 28