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MitocondriaMitocondria
Generador de energíaGenerador de energía
Academia de Profesores de Biología Celular de la DCBSAcademia de Profesores de Biología Celular de la DCBS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANAUNIDAD IZTAPALAPA
M. en C. Edith Cortés BarberenaM. en C. Edith Cortés Barberena
Objetivo del diaporamaObjetivo del diaporama
Apoyar el tema de 5 del temario de la UEA Biología Celular.Apoyar el tema de 5 del temario de la UEA Biología Celular.
�� Mitocondria.Mitocondria.�� Estructura y Funcion. Estructura y Funcion.
�� Estructura.Estructura. Permeabilidad de los componentes de las Permeabilidad de los componentes de las membranas mitocondriales, espacio intermembranal y matriz. membranas mitocondriales, espacio intermembranal y matriz.
�� Función. Sitios de generación del poder reductor (NADH y FADH2)Función. Sitios de generación del poder reductor (NADH y FADH2)
�� Teoría quimiosmótica de Peter Mitchell Relación que guarda el Teoría quimiosmótica de Peter Mitchell Relación que guarda el transporte de electrones y la fosforilación oxidativatransporte de electrones y la fosforilación oxidativa
�� Respiración. Respiración. �� Conceptos de potencial redox. Relación de la energía libre con el Conceptos de potencial redox. Relación de la energía libre con el
potencial redox.potencial redox.�� Ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Importancia. Reacciones y su Ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Importancia. Reacciones y su
regulación.regulación.�� Formación de moléculas reducidas como sustratos de la cadena Formación de moléculas reducidas como sustratos de la cadena
de transporte de electrones.de transporte de electrones.
Objetivo del diaporama Objetivo del diaporama (continuación)(continuación)
�� Cadena respiratoria. Componentes de la cadena de transporte Cadena respiratoria. Componentes de la cadena de transporte de electrones y sus características.de electrones y sus características.
�� Complejos de la cadena de transporte de electrones y su Complejos de la cadena de transporte de electrones y su ubicación topológica en la membrana interna mitocondrial.ubicación topológica en la membrana interna mitocondrial.
�� Flujo de electrones a través de los complejos de la cadena Flujo de electrones a través de los complejos de la cadena respiratoria y generación de un gradiente electroquímico de respiratoria y generación de un gradiente electroquímico de protones.protones.
�� Inhibidores del flujo de electrones.Inhibidores del flujo de electrones.�� Teoría quimiosmótica y acoplamiento de la síntesis de ATP a la Teoría quimiosmótica y acoplamiento de la síntesis de ATP a la
cadena respiratoria.cadena respiratoria.�� Componentes del gradiente electroquímico de protones.Componentes del gradiente electroquímico de protones.�� Enzima ATP sintetasa, características y propiedades.Enzima ATP sintetasa, características y propiedades.�� Fosforilación oxidativa.Fosforilación oxidativa.�� Inhíbidores y Desacoplantes.Inhíbidores y Desacoplantes.
EnergíaEnergía
�� Todos los organismos requieren energía.Todos los organismos requieren energía.
�� ATP: molécula para capturar y transferir ATP: molécula para capturar y transferir energía libre en los sistemas biológicos.energía libre en los sistemas biológicos.
ATP + HATP + H22O ADP + PiO ADP + Pi
�� ∆G∆G°° = = --7.5 Kcal/mol7.5 Kcal/mol
¿De dónde se obtiene energía?¿De dónde se obtiene energía?
�� Dos procesos para generar ATP.Dos procesos para generar ATP.
�� Oxidación de moléculas.Oxidación de moléculas.
Carbohidratos + OCarbohidratos + O22 COCO22 + H+ H22OO
�� FotosíntesisFotosíntesis
Luz + COLuz + CO22 + H+ H22OO CarbohidratosCarbohidratos
Ciclos del oxígeno y del carbonoCiclos del oxígeno y del carbono
CarbohidratosCarbohidratosOO22
HH22OOCOCO22
FotosíntesisFotosíntesis
RespiraciónRespiración
Energía químicaEnergía química
EnergíaEnergíacaloríficacalorífica
CélulasCélulasheterotróficasheterotróficas
CélulasCélulasfotosintéticasfotosintéticas
LuzLuz
Organelos generadores de energíaOrganelos generadores de energía
�� MitocondriaMitocondria
�� CloroplastoCloroplasto
�� MicrocuerposMicrocuerpos
Mitocondria: Organelo encargado de la Mitocondria: Organelo encargado de la respiraciónrespiración
Mitocondria en la célula animal
Mathews y van Holde, 2a. ed
Mitocondria: Organelo encargado de la Mitocondria: Organelo encargado de la respiraciónrespiración
Mitocondria en la célula vegetal
Mathews y van Holde, 2a. ed
MitocondriaMitocondria
�� Organelo complejo Organelo complejo encargado respiración.encargado respiración.
�� Forma, número y Forma, número y localización variable en la localización variable en la célula.célula.�� Forma de salchicha. Forma de salchicha. 0.20.2µm a 1µm de diámetro, µm a 1µm de diámetro, 1µm a 4µm de largo.1µm a 4µm de largo.
Imagen tomada de Principios de Bioquímica de Lenhinger.
Estructura mitocondrialEstructura mitocondrial
�� Organelo con un Organelo con un sistema de doble sistema de doble membrana:membrana:
�� Membrana externa Membrana externa sin pliegues.sin pliegues.
�� Membrana interna Membrana interna muy plegada (gran muy plegada (gran área).área). Espacio
intermembranal
Alto porcentaje de proteínas en la Alto porcentaje de proteínas en la membrana interna membrana interna
Membranainterna
mitocondrial
Membranaexterna
mitocondrial
Micrografía electrónica de Micrografía electrónica de mitocondriasmitocondrias
1µm
Tomada de Principios de BioquímicaTomada de Alberts y cols.
Reconstrucción tridimensional de Reconstrucción tridimensional de mitocondria dendríticamitocondria dendrítica
http://www.sci.sdsu.edu/TFrey/MitoMovie.htmhttp://www.sci.sdsu.edu/TFrey/MitoMovie.htm
Otros componentes de la Otros componentes de la mitocondriamitocondria
Ribosomas ADN
Sistemas de transporte a través de Sistemas de transporte a través de las membranas mitocondriales.las membranas mitocondriales.
�� Membrana externa mitocondrial:Membrana externa mitocondrial:�� Fácilmente permeable a moléculas pequeñas e iones Fácilmente permeable a moléculas pequeñas e iones por medio de las porinas.por medio de las porinas.
�� Membrana interna mitocondrial:Membrana interna mitocondrial:�� Impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas Impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas e iones.e iones.
�� Solo a través de transportadores específicos es Solo a través de transportadores específicos es posible cruzar la membrana interna.posible cruzar la membrana interna.
Transporte a través de la Transporte a través de la membrana interna membrana interna
PorinaPiruvato
H+
PiruvatoH+
Piruvatotranslocasa
Membranaexterna
mitocondrial
Membranainterna
mitocondrial
Transporte de ATP, ADP y Pi a Transporte de ATP, ADP y Pi a través de la membrana interna través de la membrana interna
Matriz mitocondrial
ADP
ATP
PiH+
+
-
ADP-ATPtranslocasa
Transporte de ATP, ADP a través Transporte de ATP, ADP a través de la membrana internade la membrana interna
Matriz mitocondrial
Espacio intermembranal
ADP-ATP translocasa
H+
H+
H+H+
H+
H+H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+H+
ATP4-
ADP3-
Basado en el esquema de Karp,1998
Transporte de grupos acilos a Transporte de grupos acilos a través de la membrana interna. través de la membrana interna.
Membranainterna
mitocondrial
Acil-CoACoASH
CarnitinaAcil-carnitina
CarnitinaAcil-carnitina
Acil-CoACoASH
Oxidación de ácidos grasos(β-oxidación)
Transformación de la glucosa para Transformación de la glucosa para la obtención de energíala obtención de energía
GlucosaGlucosa
2 piruvatos2 piruvatos
2 acetil2 acetil--CoACoA
4CO2 + 4H2O
2 lactato2 etanol + CO2
Glucólisis Glucólisis (10 reacciones sucesivas)(10 reacciones sucesivas)
Fermentación:Músculomicroorganismos
Fermentación alcohólica en levadura.
Fermentación lácticaFermentación alcohólica
COCO22
Condiciones Condiciones aeróbicasaeróbicas
Ciclo del Ciclo del ácido cítricoácido cítrico
GlucólisisGlucólisis
OH
OH
OHOH
CH2OH
O
Glucosa
COOH
C=O
CH3
Piruvato
2 ATPs2 NAD+
2 Pi
4 ATPs2 NADH
Ganancia neta en la glucólisis: 2 ATPs y 2 NADH
ATPsintasa
cox
ComplejoIII
Matriz mitocondrial
Espacio intermembranal
ComplejoII
ComplejoIV
ComplejoI
ComplejoV
NADHNAD+
H+ H+ H+
SuccinatoFumarato
4 H+ + ½ O2
H2O
H+
H+
Q
QH2
Cit C
Q
QH2
e-
ADP + PiATP
La mitocondria como principal La mitocondria como principal generador de ATPgenerador de ATP
Fosforilación oxidativa(membrana interna)
Acetil-CoA
Piruvato (3C)
Citrato
α-cetoglutarato
Succinil-CoA
malato
Oxaloacetato
Ciclo de Krebs(matriz mitocondrial)
Succinatodeshidrogenasa
Isocitratodeshidrogenasa
Succinil-CoA
sintetasa
Fumarasa
Malatodeshidrogenasa
aconitasa
aconitasa
Citratosintasa
deshidratación
cis-aconitasa
hidratación
Isocitrato
Descarboxilación oxidativa
α-cetoglutarato
Succinil-CoA
Descarboxilación oxidativaFosforilación a
nivel de sustrato
Succinato
Deshidrogenación
Fumarato
Hidratación
Malato
Deshidrogenación
Condensación
Oxaloacetato
Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa
UQ
UQH2
Eslabón entre la glucólisis y el ciclo Eslabón entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.de Krebs.
COOH
C=O
CH3
S-CoAC
CH3
O
PiruvatoPiruvato AcetilAcetil--CoACoA
CoA-SH
Complejo piruvato deshidrogenasa(E1+ E2 + E3)
NAD+
TTP, lipoato y FAD
NADH
CO2
+
Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa
�� Dos fenómenos estrechamente acopladas:Dos fenómenos estrechamente acopladas:
�� Oxidación de NADH y succinato (FADHOxidación de NADH y succinato (FADH22) por la ) por la cadena respiratoriacadena respiratoria y generación de un gradiente y generación de un gradiente de protones.de protones.
�� El gradiente de HEl gradiente de H++ es aprovechado por la ATP sintasa, es aprovechado por la ATP sintasa, la cual disipa el gradiente mientras fosforila ADP para la cual disipa el gradiente mientras fosforila ADP para obtener ATP (obtener ATP (Síntesis de ATPSíntesis de ATP).).
Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa
ATPsintasa
cox
ComplejoIII
Matriz mitocondrial
Espacio intermembranal
ComplejoII
ComplejoIV
ComplejoI
ComplejoV
NADHNAD+
H+ H+ H+
SuccinatoFumarato
4 H+ + ½ O2
H2O
H+
H+
Q
QH2
Cit C
Q
QH2
e-
ADP + PiATP
Cadena respiratoriaCadena respiratoria
cox
Complejo III(Sitio II)
Matriz mitocondrial
Espacio intermembranal
Complejo II Complejo IV(Sitio III)
Complejo I(Sitio I)
NADH NAD+
4H+ 2H+ 2H+
SuccinatoFumarato
4 H+ + ½ O2
H2O
Q
QH2
Cit C
Q
QH2
e-
H+
H+
H+H+
H+
H+H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+H+
Síntesis de ATPSíntesis de ATP
�� El gradiente de protones El gradiente de protones es aprovechada por la ATP es aprovechada por la ATP sintasa, para generar ATP.sintasa, para generar ATP.
�� Aún no se tiene claro si la Aún no se tiene claro si la ATP sintasa bombea 3 o 4 ATP sintasa bombea 3 o 4 protones por cada ATP.protones por cada ATP.
ATPsintasa
H+
ADP + Pi ATP
H+H+
H+
H+
H+
H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
X
Teoría quimiosmóticaTeoría quimiosmótica
1.1. La cadena transportadora de electrones La cadena transportadora de electrones transloca protones a través de la membrana transloca protones a través de la membrana interna mitocondrial, conforme se dan las interna mitocondrial, conforme se dan las reacciones de óxido reducción.reacciones de óxido reducción.
2.2. La ATP sintasa utiliza la fuerza protón motriz La ATP sintasa utiliza la fuerza protón motriz para llevar a cabo la fosforilación del ADP.para llevar a cabo la fosforilación del ADP.
3.3. La membrana interna mitocondrial es La membrana interna mitocondrial es impermeable a los iones Himpermeable a los iones H++ y OHy OH--..
ATP sintasaATP sintasa
Imágenes tomadas de Principios de Bioquímica de Lenhinger.
EstequiometríaEstequiometría del número de del número de ATPsATPspor cada por cada NADHNADH y y succinatosuccinato
(FADH(FADH22) ) �� Si la Si la ATPATP sintasasintasa bombea 3 Hbombea 3 H++ por cada por cada ATPATP::
�� NADHNADH: Se bombean 10 protones en la cadena : Se bombean 10 protones en la cadena respiratoria, por lo que la energía alcanza respiratoria, por lo que la energía alcanza para 2.5 para 2.5 ATPsATPs..
�� SuccinatoSuccinato (FADH(FADH22): ): Se bombean 6 protones, Se bombean 6 protones, por lo que se alcanzan a generar 1.5 por lo que se alcanzan a generar 1.5 ATPsATPs..
Efecto de inhibidores y Efecto de inhibidores y desacoplantes desacoplantes
�� Inhibidores: molécula que interviene Inhibidores: molécula que interviene directamente en una parte de la cadena directamente en una parte de la cadena oxidativa. oxidativa.
�� Se unen a alguna subunidad específica.Se unen a alguna subunidad específica.
�� Unión a un grupo protético.Unión a un grupo protético.
�� Compiten con los donadores y aceptores de Compiten con los donadores y aceptores de electrones.electrones.
InhibidoresInhibidores
cox
Matriz mitocondrial
Espacio intermembranal
Antimicina CN, CORotenona
NADH NAD+
4H+ 2H+ 2H+
SuccinatoFumarato
4 H+ + ½ O2
H2O
Q
QH2
Cit C
Q
QH2
e-
H+
H+
H+H+
H+
H+H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+H+
CICIII
Efecto de inhibidores y Efecto de inhibidores y desacoplantes desacoplantes
�� Desacoplantes: Desacoplantes: Abaten el potencial Abaten el potencial electroquímico. electroquímico. �� Introducen HIntroducen H++ o o cargas positivas hacia cargas positivas hacia la matriz mitocondrial.la matriz mitocondrial.
�� Ejs: Ejs: �� 2,42,4--Dinitrofenol (DNP)Dinitrofenol (DNP)
�� Trifluorocarbonilcianuro Trifluorocarbonilcianuro hidrazona (FCCP)hidrazona (FCCP)
ATPsintasa
H+
ADP + Pi ATPH+
H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
ResumenResumen
�� Mitocondria: organelo de doble sistema de Mitocondria: organelo de doble sistema de membranas, con una función membranas, con una función predominante en la obtención de energía.predominante en la obtención de energía.
�� Membrana externa muy permeable.Membrana externa muy permeable.
�� Membrana interna selectiva, con alto Membrana interna selectiva, con alto contenido de proteínas y muy plegada que contenido de proteínas y muy plegada que rodea a la matriz mitocondrial.rodea a la matriz mitocondrial.
ResumenResumen
�� En matriz mitocondrial se transforma el En matriz mitocondrial se transforma el piruvato a acetilpiruvato a acetil--CoACoA
�� La acetilLa acetil--CoA entra al ciclo de los ácidos CoA entra al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, en donde se obtienen tricarboxílicos, en donde se obtienen coenzimas reducidas.coenzimas reducidas.
�� En la membrana interna se realiza En la membrana interna se realiza fosforilación oxidativa (cadena respiratoria fosforilación oxidativa (cadena respiratoria y síntesis de ATP).y síntesis de ATP).
ResumenResumen
�� La cadena respiratoria transloca protones La cadena respiratoria transloca protones a través de la membrana interna a través de la membrana interna mitocondrial, conforme se dan las mitocondrial, conforme se dan las reacciones de óxido reducción.reacciones de óxido reducción.
�� La translocación de protones genera la La translocación de protones genera la fuerza protón motriz.fuerza protón motriz.
�� La ATP sintasa utiliza la fuerza protón La ATP sintasa utiliza la fuerza protón motriz para llevar a cabo la fosforilación motriz para llevar a cabo la fosforilación del ADP.del ADP.
BibliografíaBibliografía
�� Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. Molecular Biology Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. Molecular Biology of the Cell. New York and London: Garland Science ; of the Cell. New York and London: Garland Science ; c2002c2002
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Diapositivas adicionalesDiapositivas adicionales
CloroplastoCloroplasto
�� Organelo que se encuentra en células Organelo que se encuentra en células vegetales.vegetales.
�� Sistemas membranales, una de ellas Sistemas membranales, una de ellas altamente plegada.altamente plegada.
�� Realización de la fotosíntesis.Realización de la fotosíntesis.
Estructura del cloroplastoEstructura del cloroplasto
Estroma
Membranaexterna
Membranainterna
Tilacoides Grana (tilacoides apilados)
Tilacoides no apilados
Micrografía de tilacoidesMicrografía de tilacoides
Microscopía electrónica criofractura que revela diferencias composiciónentre tilacoides apilados en grana (GT) y no apilados (ST)
Ciclo de desarrollo del cloroplastoCiclo de desarrollo del cloroplasto
Surgimiento de la mitocondriaSurgimiento de la mitocondria
GlucólisisGlucólisis
�� La glucólisis se lleva a La glucólisis se lleva a cabo en citoplasma.cabo en citoplasma.
�� Se transforma glucosa Se transforma glucosa y se obtienen:y se obtienen:�� 2 piruvatos, 2 ATPs 2 piruvatos, 2 ATPs en forma neta y 2 en forma neta y 2 NADH.NADH.
OH
OH
OHOH
CH2OH
O
Glucosa
CH2OHHO
HO-CH2 OOH
OH
GlucólisisGlucólisis
OH
OH
OHOH
CH2OH
O
Glucosa
ATP+OH
OH
OHOH
O-CH2
O
-O3P
ADP
+
Fuerza protón motrizFuerza protón motriz
�� Al generar un gradiente de H+ a través de Al generar un gradiente de H+ a través de la membrana, también crea un potencial la membrana, también crea un potencial eléctrico, llamado potencial de membrana.eléctrico, llamado potencial de membrana.
nH+int nH+
ext
∆G= RTln (nH+int/nH
+ext)
∆G= RT (pHint-pHext)
∆G= nF ∆ψ
Fuerza protón motrizFuerza protón motriz
∆G = nF ∆ψ
∆G = F ∆ψ + RT∆pH
∆G = nF ∆ψ + RTln([H]next/[H]nint)
∆G = nF ∆ψ + nRTln∆pH