Capitolul 15 MITOCONDRIILE
Capitolul 15MITOCONDRIILE
Număr
1 - Ostreococcus tauri1500 - Hepatocit
15.1. Morfologie şi ultrastructură
Localizare - în zone cu activitate intensă
Fibră musculară
Neuroni
Pancreas
Celulă din glanda corticosuprarenală
Morfologie 0.5-1 μm / 1-3 μm - 10
Foarte mobile Schimbări de formăCresc, fuzionează, se divid
Matrice Creste Membrana internă
Membrana externă
Ultrastructură
Modelul Palade-Sjöstrand
ultrastructura mitocondriei
Complexul FoF1 al ATP-sintetazei Mecanismul sintezei ATP
Miocard
CSR
Neuron
Hepatocit
Mitocondrii izolate:conformaţia condensată
conformaţiaortodoxă
Membrana externă: → lipide : proteine = 1 : 1→ 5% colesterol→ permeabilă pentru molecule de până la 6.000 Da (porina)
15.2. Compoziţa chimică, procesele metabolice şi enzimele localizate în mitocondrii
Membrana internă: 25% lipide; 75% proteine → 0% colesterol
→ cardiolopină (20%)(difosfatidilglicerol)
Conţinut mare de acid linoleic C18:3Conţinut mic de acid arahidonic C20:4
→ impermeabilă→ complexe proteice transmembranare (60) – transportsubstanţe, transportul electronilor, oxidări, sinteza de ATP
Procese metabolice localizate în mitocondrii:procese biosintetice şi ale metabolismului energetic
Procese biosintetice generale:
- biosinteza ADN,- biosinteza ARNm,- biosinteza proteinelor
Procese biosintetice specifice:
- unele etape în sinteza hormonilor steroizi în celulele din glanda corticosuprarenală
Proteine mitocondriale sintetizate în mitocondrie
PorinaMembrana externă
Citocromul cCitocromul bSubunitatea 4 a CoQH2-citocrom c reductazei (citocromul c1)
Spaţiulintermembranar
Transportorul ADP-ATPTransportorul Fosfat-OHSubunităţile 4,5,6 şi 7 ale citocrom c oxidazeiSubunităţile 1,2,5,6,7,8 ale CoQH2-citocrom c reductazei
Membrana internă
F1-ATP-aza: Subunităţile a,b,d, gADN, ARN polimerazele mitocondrialeProteinele ribosomaleCitrat-sintetazaOrnitin-aminotransferazaAlcool-dehidrogenaza
Matrice
PROTEINALOCALIZARE
Acizi Graşi şi glicerol
Glucozăalte glucide Aminoacizi
Fosforilareoxidativă
ADP
Acetil-CoA
I
II
III
ATP
Hans Krebs (1900-1981)
Premiul Nobel 1953
procese ale metabolismului energetic
Localizarea enzimelor:
→ în membrana externă: monoaminoxidaza
→ în spaţiul intermembranar: adenilatkinaza
AMP + ATP → 2ADP
→ în membrana internă: lanţul respirator mitocondrialcomplexul ATP-sintetazeitransportorii ionilor
→ în matrice: PDH enzimele implicate în β-oxidare enzimele implicate în ciclul citricenzimele implicate în sinteze de acizi nucleici/proteine
15.3. Organizarea moleculară a lanţului respirator
H2 + 1/2O2 → H2O
+0.21CITOCROM c1 (Fe3+)CITOCROM c1 (Fe2+)
+0.12CITOCROM b (Fe3+)CITOCROM b (Fe2+)
FAD-PROTEINĂFADH2-PROTEINĂ
+0.10UBIQUINONĂUBIQUINONĂ (UQH2)
+0.82
+0.29
-0.32
E0 (V)
1/2O2+(2H+ + 2e-)H2O
CITOCROM a (Fe3+)CITOCROM a (Fe2+)
NAD+NADH + H+
FORMA OXIDATĂFORMA REDUSĂ
Complexul I (NADH-dehidrogenaza) >600 kDa30 polipeptide diferite4proteine cu Fe-S şi un FMN
Complexul II (succinat-dehidrogenaza)un citocrom b şi alte polipeptide
Complexul III (complexul citocromilor bc1) 8 subunităţi citocromul b, citocromul c1, o proteină cu Fe/S
Complexul IV (citocrom oxidaza) 400 kDacâteva subunităţi proteiceşi citocromii a1 şi a32 atomi de Cu
O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O
15/40NADHDH : 3 cit. bc1 : 7 cit. a1a3 : 9 cit. c : 50 UQ
15.4. Fosforilarea oxidativă (aspecte de termodinamică)
50% → ATP50% → căldură
3 moli Pa : 1 mol O2
3ATP
2ATP
2 moli Pa : 1 mol O2
Piruvat Sucinat Ascorbat
AmitalRotenonă Antimycina A
KCNCO
NADH Coenzima Cit.b Cit.c1 Cit.c Cit.a1a3 O2Q10
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
Decuplanţii fosforilării oxidative: 2,4 Dinitrofenol
Inhibitorii transferului electronilor
Inhibitorii fosforilării oxidative: oligomicina
15.5. Mecanismul fosforilării oxidative (Mitchell, 1961)
Peter Mitchell Premiul Nobel pentru chimie (1978)
3,5 220 mV
F13 α, 3 β, 1 δ, ε, γ
Fo (o = oligomycin) 1 a, 2 b, 10 c
Complexul FoF1 al ATP-sintetazei Mecanismul sintezei ATP
Paul D. Boyer
John E. Walker
Premiul Nobel pentru chimie (1997) pentru descoperirea funcţionării ATP sintetazei.
Modelul rotaţional al lui Boyer
Halobacterium halobium
Experienţa lui Racker şi Stoeckenius
ATP-sintetaza ↔ Pompă De H+
15.6. Transportul ionilor prin membrana mitocondrială internă
a) Translocarea ATP / ADP → ATP-ADP translocaza
b) Transportul anionilor: piruvat, fosfat anorganic
c) Transportul aspartat / glutamat
d) Transportul acizilor graşi → carnitină
e) Transportul Ca2+ → Ca2+-ATP-aza
Oxaloacetate
Malate
α−Κetoglutarate
Glutamate
Aspartate
NADH
NAD+
Glutamate
Aspartate
Malate
NADHNAD+
Oxaloacetate
α−Κetoglutarate
CYTOSOL MATRIX
Transportul cuplat aspartat - glutamat
15.7. Biogeneza şi originea evoluţionară a mitocondriei
Genetic and transcription map of human mtDNA. The two internal circles represent both mtDNA strands with the encoded genes. External circles represent the RNAs transcribed from the heavy strand (filled lines) and light strand (open lines). 12S and 16S, ribosomal RNAs 12S and 16S; ND1 to ND6, subunits 1-6 of NADH dehydrogenase (complex I); cyt b, cytochrome b subunit of complex III; CO I, CO II and CO III, subunits of cytochrome coxidase (complex IV); ATPase 6 and ATPase 8, subunits of ATP synthetase (complex V). tRNA genes are indicated by the three letter code of the corresponding amino acid. H1, H2 and L indicate transcription initiation points for the H- and L-strand, respectively. OH and OL represent replication origins for the H- and L-strand, respectively. Arrows indicate the transcription or replication direction.
Proteine mitocondriale sintetizate în mitocondrie
PorinaMembrana externă
Citocromul cCitocromul bSubunitatea 4 a CoQH2-citocrom c reductazei (citocromul c1)
Spaţiulintermembranar
Transportorul ADP-ATPTransportorul Fosfat-OHSubunităţile 4,5,6 şi 7 ale citocrom c oxidazeiSubunităţile 1,2,5,6,7,8 ale CoQH2-citocrom c reductazei
Membrana internă
F1-ATP-aza: Subunităţile a,b,d, gADN, ARN polimerazele mitocondrialeProteinele ribosomaleCitrat-sintetazaOrnitin-aminotransferazaAlcool-dehidrogenaza
Matrice
PROTEINALOCALIZARE
Florea & Craciun, 2012
ADNmtplasmide
15.8. Implicaţiile mitocondriilor în patologie
A. Boli genetice mitocondriale-mutaţii în mtDNA, mutaţii în genele nucleare pentru proteinele mitocondriale
- mitocondrii mari, ineficiente energetic; ţesuturile cele mai sensibile: muşchiul scheletic, cardiac, SNC
→ encefalomiopatii mitocondriale (la pacienti tineri sau adulti)
→ citopatii mitocondriale: ficat, rinichi (în copilărie)
Exemple de boli genetice mitocondriale:
-Boala Leber – atrofia nervului optic – orbire rapidă(la orice vârstă)
-Sindromul MERF (myoclonal epilepsy with ragged fibres) : epilepsie, aspect specific al fibrelor musculare
(în copilărie)
-Sindromul MELAS (mitochondrial encephalopathy with lactic acid and stroke episodes) - debut între 5-15 ani
-Boala Luft decuplare fosforilării oxidative - căldură
MERF
MERF
B. Alte procese patologice în care sunt implicate mitocondriile
→ mitocondriile sunt implicate în toate bolile
→ ADN-ul mitocondrial nu este protejat - expus speciilor reactive ale oxigenului (radicali liberi implicaţi în patogeneza tuturor bolilor (cardiovasculare, cancer, diabet...)
→ mitocondriile – implicate în primii paşi ai apoptozei