Este documento describe los procesos bioenergéticos que ocurren en las mitocondrias. Explica que las mitocondrias almacenan energía química de los nutrientes en forma de ATP mediante reacciones de oxidación-reducción acopladas a la fosforilación oxidativa. También describe los componentes de la cadena transportadora de electrones y el gradiente electroquímico que se genera para sintetizar ATP.

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2. Requerimientos energéticos - La célula utiliza la Energía para: .Síntesis de nuevas moléculas. .Trabajo mecánico (contracción muscular). .Transporte activo (contra gradientes). .Movimiento de cilias y flagelos. .Mantener potenciales de membrana. .Bioluminiscencia .

3. - Vegetales : mediante sus pigmentos captan energía lumínica y la transforman en Energía Química. -Demás seres vivos: incorporan moléculas complejas que contienen Energía en forma de enlaces químicos. Fotosíntesis Descomponer (oxidar) enlaces. Liberación de Energía.

6. Intermediario que permite captar, almacenar y liberar E cuando la célula puede utilizarla. Enlaces de alto contenido energético (-7,3 kcal/mol). ATP

8. Reacciones de Oxido – Reducción (Redox) Se producen con “transferencia de electrones” (e-) Dador de e- Aceptor de e- “ pierde” Se OXIDA “ gana” Se REDUCE e-

9. ¿Cómo se transfieren los e-? ¿Quién pierde y quién gana e-? A- de uno en uno Fe +++ + e- Fe ++ C-dos e- y un H + NAD + + H + + 2e- NADH B-como un átomo de Hidrógeno (e- + H + ) FAD + 2H + + 2e- FADH 2

10. Los e- se desplazan de un compuesto a otro. Estos compuestos deben estar ordenados según un “ Gradiente de potencial de REDUCCIÓN Creciente ( E’o) ”. Potencial de REDUCCIÓN: tendencia a “captar e-” Menor Flujo de e- Mayor Pot. Reducción Pot. Reducción

11. H 2 A BH 2 C DH 2 1/2O 2 (Sustr. Red) ( Sustr. Ox.) AH 2 B CH 2 D H 2 O Reacciones de Oxido – Reducción en los Sistemas Biológicos Reacciones “ACOPLADAS”: producto de una reacción es el sustrato de la siguiente E E E E E e- H +

12. Reacciones “ACOPLADAS”: producto de una reacción es el sustrato de la siguiente

13. Reacciones EXERGÓNICAS: liberación de E. Como se realizan en varias etapas, los e- se van transfiriendo desde un compuesto al otro, siempre que estén ordenados según sus Potenciales de REDUCCIÓN crecientes. En cada etapa se libera E en pequeñas cantidades que la célula puede utilizar o almacenar en forma de “Enlaces de Alto Contenido Energético” (ATP)

14. ¿Dónde se llevan a cabo estos procesos? MITOCONDRIAS

16. ¿Cómo son? -Forma alargada, similar a un cilindro. -Tamaño: 1-2 um de largo y 0,5 um de diámetro. Photo researchers Inc. Don Fawcet-keith porter

17. Contiene la “Matríz Mitocondrial” gel alto contenido proteico (50%). DNA mitocondrial (Circular). Ribosomas mitocondriales (síntesis proteica). Gránulos  : almacenamiento de Calcio. Espacio Interno Composición semejante al citosol (por la permeabilidad de la M. Externa). Espacio Intermemb. Alto contenido proteínas (>76% de su peso) Forma pliegues o “crestas”. Rica en Cardiolipina (fosfolípido complejo). Permeabilidad Selectiva (H 2 O CO 2 , O 2 , NH 3 ). Partículas F1 (hacia interior). Memb Interna Lisa y elástica. Rica en PORINA (proteína transmembrana que forma canales). Muy Permeable a iones y molec. pequeñas (<5000D). Memb. Externa Características Estructura

18. ¿Función? oxidación de los sustratos con producción de Energía en forma de ATP. -Proteínas transporte e- (Cadena Respiratoria). -ATPsintasa (Part. F1): Síntesis ATP. -Proteínas de Transporte específicas: pasaje “selectivo” de sustancias. Membrana Interna -Oxidación piruvato y ácidos grasos. -Ciclo Krebs. Matríz Función Compartimiento

19. Compartimentalización

20. Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte de electrones -La cadena respiratoria consta de una serie de transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar 1 ó 2 e-. -Cada componente de la cadena acepta e- del transportador precedente y se los transfiere al siguiente en una secuencia específica (ordenados según gradiente de potencial de reducción creciente). -Tipos de transferencia de e- (equivalentes de reducción) en la cadena respiratoria: (1) transferencia directa de e- (Fe 3+ /Fe 2+ ) (2) transferencia de un H + (1 e-) (3) transferencia de un H+ portador de 2 e-

21. Cadena Respiratoria NADH  Fp(FMN)  Q  cit b  cit c 1 , c  cit aa 3  O 2 I II III IV

22. NADH-Ubiquinona Reductasa Succinato -Ubiquinona Reductasa CoQ Cit b Cit c1 Ubiquinona Citocromo c Reductasa Citc Cit a Cit a1 Citocromo Oxidasa O 2 I II III IV

23. Grupos transportadores de electrones Ubiquinona o Coenzima Q. Transportador móvil de e- . No está fija en la membrana mitocondrial interna. Ubi (Ubicuo: en todas partes, sin localización fija ) - Quinona (estructura química)

24. Otros grupos transportadores de electrones Proteínas ferro-sulfuradas - En las proteínas ferro-sulfuradas (Fe-S), el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente. - Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas. - Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce uno de los átomos de Fe (Fe +++ -Fe ++ ). -Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-.

25. Otros grupos transportadores de electrones Citocromos Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados (pirrol) en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe 2+ (citocromo reducido) o Fe 3+ (citocromo oxidado). a b c

26. E’ o (mV) NADH - 320 FMNH - 290 Fe-S (Complejo I) - 270 FADH - 10 Fe-S (Complejo II) + 20 Ubiquinol (UQH 2 ) + 50 Citocromo b k + 77 Citocromo b T + 190 Citocromo c (+c 1 ) + 230 Citocromo a+a 3 + 380 Oxigeno + 816 Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de E’ o más bajo hacia los transportadores con E’ o más elevado. En la tabla, los de arriba reducen a los de más abajo

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28. Todo este transporte de e- desde el NADH (o FADH 2 ) hasta el O 2 es un proceso exergónico (liberación de E). ¿Cómo se relaciona la E liberada durante el transporte de e- con la síntesis de ATP? Pero…

29. La liberación de E producida durante el transporte de e- es utilizada para la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa) Son 2 procesos diferentes, pero ambos están “acoplados” Mecanismo de la F.O. Hipótesis del Gradiente Quimiosmótico Requiere 2 condiciones “imprescindibles”: Membrana Mitocondrial Interna - impermeable a H + -intacta

30. A medida que los e- son transportados, la E liberada se utiliza para “bombear H + ” desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

31. Por cada par de e- transferidos al O 2 , 4 H + son bombeados por el Complejo I, 4 H + por el Complejo III y 2 H + por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial, hacia el espacio intermembranas.

32. Esta “salida” de H + genera un desequilibrio ( gradiente ) Quimio-Osmótico entre ambos lados de la Membrana Mitocondrial Interna. pH OH - q- pH H + q+

33. El gradiente quimio-osmótico favorece el “regreso” de H + hacia la matriz. Como la Membrana interna es impermeable penetran a través de canales de H + : las partículas F1. Partícula F1= ATP SINTASA

34. Porción Globular: F1 (  Tallo: F0 (canal de H + ) (a, b, c). Matríz Espacio Intermembrana

35. Libera el sitio de unión del ADP y Pi en la subunidad  Al invertirse el gradiente se hidroliza el ATP.

36. Existen sustancias que pueden alterar el proceso: 1- Inhibidores del transporte e-: interrumpen el flujo de e- a distintos niveles en la cadena respiratoria. Afectan por lo tanto la F.O. Rotenona Amital Halotano Antimicina A Cianuro CO Azidas

37. Existen sustancias que pueden alterar el proceso : 2- Desacoplantes de la F.O.: separan los 2 procesos. -Son sustancias que alteran (aumentan) la permeabilidad de la Membrana Interna. -Afectan el gradiente quimiosmótico. No impiden el transporte de e-. - Ionóforo de H + : 2,4 di nitro fenol - Ionóforos de K + : Valinomicina, Nigericina - Ionóforos de Na + y K + : Gramicidina - Oligomicina: se une a la F0 de la F1 ATPasa pH OH - q- pH H + q+ pH OH - q+ pH OH - q- H + H +

38. - Termogenina (UCP-Uncoupling Carrier Protein) : canal de protones presente en las mitocondrias de la grasa parda . Actúa como un ionóforo. En animales que hibernan permite utilizar el transporte de e- para generar calor y sin síntesis de ATP. Existen “desacoplantes naturales” de la F.O.:

39. Algunas características particulares de las mitocondrias 1- Formación de nuevas mitocondrias 2- Origen evolutivo de las mitocondrias 3- Características de ADN mitocondrial 5- Herencia de las mitocondrias 4- Síntesis de proteínas mitocondriales

40. Algunas características particulares de las mitocondrias 1- Formación de nuevas mitocondrias. -Al dividirse cualquier célula (mitosis), necesita generar nuevas mitocondrias. -Nunca se sintetizan “de novo” a partir de sus Componentes. -Crecimiento y división de las preexistentes. -Durante la interfase del ciclo celular. -El n° de mitocondrias en cada tipo celular se mantiene constante.

41. 2- Origen evolutivo de las mitocondrias Teoría Endosimbiótica : conservan su genoma y se replican Independientemente . Algunas características particulares de las mitocondrias

42. 3- Características del DNA mitocondrial -Molécula circular y bicatenaria: 20 a 30copias / mitocondria. -Situadas en la matriz mitocondrial. -Copia única de cada gen. -Sin Histonas (no forma nucleosomas). -Sin secuencias reguladoras. -Sin intrones (todas las secuencias son codificantes). -Código genético “alterado” o “degenerado”. -Codifica 13 polipéptidos (cadena respiratoria). Algunas características particulares de las mitocondrias Código Genético Mitocondrial

43. 4- Síntesis de proteínas mitocondriales - 95% proteínas mitocondriales son codificadas por ADN nuclear y sintetizadas en ribosomas del citoplasma (proteínas importadas). -5% proteínas mitocondriales (13 polipéptidos) son codificadas por ADN mitocondrial y sintetizadas en los ribosomas mitocondriales (proteínas mitocondriales). Algunas características particulares de las mitocondrias

44. 5- Herencia de las mitocondrias Las mitocondrias del cigoto son aportadas en un 99,9 % por el ovocito. Esto implica que las mitocondrias se heredan en forma uniparental (sólo de Origen Materno ). Algunas características particulares de las mitocondrias

45. Bibliografía -Voet, Voet, Pratt: Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular, 2da. Ed. 2006. Editorial Médica Panamericana. -Alberts; Johnson; Lewis; Raff; Roberts; Walter . Molecular Biology of the Cell 4ta Ed. 2002. Ed New York and London: Garland Science. - Lodish; Berk; Zipursky; Matsudaira; Baltimore; Darnell . Molecular Cell Biology, 4ta. Ed. 1999. New York: W. H. Freeman & Co. Nelson and Cox . Lehninger: Principles of Biochemistry. 4ta Ed. Ediciones Omega SA. - De Robertis, Hib . Fundamentos de Biología Celular y Molecular. 4ta. Ed, 2004. Editorial el Ateneo. - Antonio Blanco : Química Biológica, 8va. Ed. 2007. Editorial el Ateneo. -Karp Gerald: Biología celular y molecular. Conceptos y experimentos. 5º Ed. Ed. Mc Graw Hill 2008.