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