09.05.2012

1

ORGANITE SEMIAUTONOME

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ ŞI FARMACIE

“CAROL DAVILA”, BUCUREŞTI

CATEDRA DE MEDICINĂ CELULARĂ ŞI MOLECULARĂ -

MEDICINA DEZVOLTĂRII UMANE

Şef lucrări dr. Sanda Maria Creţoiu

MITOCONDRIA

● Definiţie

● Structură, ultrastructură

● Funcţiile mitocondriei

09.05.2012

2

Albert von Kolliker 1857

Richard Altmann - 1852 –1900

1890 - bioblasti

09.05.2012

3

Carl Benda - 1898

Peter Dennis Mitchell

Premiul Nobel 1978 pentru formularea teoriei chemiosmotice

09.05.2012

4

Nobel 1997 - ATP sintaza

organit celular

delimitat de un sistem de

două membrane

funcţie de bază producerea

de ATP.

• mitos: fir, aţă;

• khondrion: granulă.

Mitocondria

09.05.2012

5

Distribuţie

Număr şi formă foarte

variabile în aceeaşi celulă,

datorită plasticităţii

Volum relativ

5 - uzual

20 - hepatocite

30 - miocardocite

Videomicroscopie

O mitocondrie marcată fluorescent (săgeată) se

deplasează într-o celulă vie pe o distanţă de 6,6 m în

33 sec.

(B Trinczek et al., J Cell Sci 112:2355, 1999)

Microscopia optică

coloraţii citologice

Hematoxilină ferică Regaud

– granule negre

Verde Janus B – colorant

vital

09.05.2012

6

Microscopie de fluorescenţă

Mitocondrii marcate cu

MitoTracker Green

Microscopie confocală

09.05.2012

7

Localizare intracelulară

Desen al lui GE

Palade - 1953

Ultrastructura mitocondriei

09.05.2012

8

Ultrastructura mitocondriei

Spaţiu intermembranar

Matrice

Membrană mitocondrială externă şi

internă

Criste

Ultrastructura mitocondriei

09.05.2012

9

Ultrastructura mitocondriei

Ultrastructura mitocondriei

09.05.2012

10

Ultrastructura mitocondriei

Mitocondrii cu criste tubulare

09.05.2012

11

Metodologia studierii mitocondriei

Postulatele teoriei chemiosmotoice (P. Mitchell, 1961)

Premiul Nobel în chimie, 1978

09.05.2012

12

1 Lanţul respirator este transportor de protoni

2 ATP sintaza produce ATP prin disiparea gradientului protonic

Funcţiile mitocondriei Postulatele teoriei chemiosmotice (P. Mitchell, 1961)

Teoria chemiosmotică

3 Membrana mitocondrială internă conţine transportorii ce asigură traficul metaboliţilor

4 Pe căi nespecifice, membrana mitocondrială internă este practic impermeabilă la protoni şi, în general, la ioni

09.05.2012

13

ATP sintaza (F0F1 ATP-aza) - particula Fernández Morán

- 500 kD

- Structură de băţ de tobă (trunchi,

gât şi cap)

- Cel puţin 9 proteine (2 autonome)

- Partea transmembranară (F0):

canal

protonic

- Gâtul şi capul (3 + 3 + 1 +

+ 1 + 1 ): ATP sintaza

-Funcţionarea presupune rotirea

subunităţii F1 ce cuprinde 3 situsuri

catalitice

- Fiecare din situsurile catalitice trece

prin trei conformaţii succesive:

deschisă, laxă, strânsă

F0 ATPaza

H Noji et al., Nature 386:299, 1997

09.05.2012

14

fosfat anorganic

legături fosfoanhidrice

Energie

Energie

Riboză

Riboză

Adenină

Adenină

09.05.2012

15

Sinteza ATP Hidroliză ATP

Spaţiu intermembranar

De unde provine energia necesară

funcţionării ATP-sintazei ?

Lanţul transportor de electroni (respirator)

I. Complexul NADH

dehidrogenazei - 800 kD - 22 proteine (7 autonome)

- 1 centru flavinic - Cel putin 5 centre

fier-sulf - Preia e- de la NADH şi îi transferă

ubiquinonei (CoQ)

III. Complexul

citocromilor b-c1

- 500 kD - Cel puţin 8 proteine (una autonomă)

- Funcţionează ca dimer (2x500 kD) - 3 centre hemice; 1 centru fier-sulf

- Transferă e- de la CoQ la citocrom c

IV. Complexul citocrom oxidazei

(citocromilor a-a3) - 300 kD - 9 proteine (3 autonome) - Funcţionează ca dimer (2x300 kD)

- 2 citocromi, 2 centre cu Cu2+

- Transferă e- de la citocrom c la oxigen,

cu producerea de apă

09.05.2012

16

Decarboxilarea piruvatului

Complexul piruvat-dehidrogenază

- localizat în matricea mitocondrială

- 24 subunităţi E1, 24 E2 şi 12 E3

- legătura dinte glicoliza anaerobă

şi fosforilarea oxidativă

Glicoliza

anaerobă

-se desfăşoară în citosol

- profit net: 2 mol. ATP

- rezultă 2 mol. piruvat

09.05.2012

17

oxidarea acizilor graşi

- se desfăşoară în matricea mitocondrială

- acizii graşi intră sub formă de Acil-CoA

- rezultă Acetil-CoA

09.05.2012

18

Decuplarea lanţului respirator de

fosforilare Cuplarea chemiosmotică (cuplarea

lanţului respirator cu fosforilarea din ATP

sintază) este esenţială pentru producerea

ATP;

Împiedicarea acestei cooperări conduce la

disiparea sub formă de căldură a energiei

acumulate în gradientul protonic;

Decuplantul fiziologic, termogenina,

asigură protecţia termică a organismelor.

Funcţiile mitocondriei A. Funcţiile membranei mitocondriale externe

1. Permeabilitate controlată (porine)

2. Acil-CoA sintaza

3. Carnitin-aciltransferaza I

4. Inactivarea aminelor biogene (monoaminoxidaza)

Utilizarea acizilor graşi

în ciclul Krebs

09.05.2012

19

Funcţiile mitocondriei

B. Funcţiile compartimentului intermembranar

1. Compartiment tampon (microclimat adecvat

funcţionării mitocondriei)

2. Adenilat kinaza (ATP + AMP = 2ADP)

3. Nucleozid difosfokinaze

Funcţiile mitocondriei

C. Funcţiile matricei mitocondriale

1. Ciclul acidului citric (ciclul acizilor tricarboxilici,

ciclul Krebs)

2. -oxidarea acizilor graşi

3. Biosinteza proteinelor

4. Replicarea şi transcrierea ADN mitocondrial

09.05.2012

20

Funcţiile mitocondriei

D. Funcţiile membranei mitocondriale interne

1. Transportul de metaboliţi

2. Lanţul transportor de electroni (lanţul respirator)

3. Producerea de ATP

4. Cooperarea dintre lanţul respirator şi ATP sintază

Originea mitocondriei

Teoria

endosimbiotică

Argumente:

Prezenţa cardiolipinei

în membrana internă;

Prezenţa porinelor în

membrana externă;

ADN propriu, circular;

Ribozomi 70S, sinteză

proteică sensibilă la

cloramfenicol,

insensibilă la

cicloheximidă;

Capacitate proprie de a

se divide.

09.05.2012

21

Importul proteinelor în mitocondrie

Adaptare după Molecular Biology of the Cell 4th Ed., Bruce Alberts, Garland Science, 2002

09.05.2012

22

Mecanismul importului

Adaptare după Molecular Biology of the Cell 4 th Ed., Bruce Alberts, Garland Science, 2002

Mitocondria şi apoptoza

Teoria structurării de canale

1.Cascada caspazelor (Cysteinyl Aspartate-

Specific Proteases)

Modificări mitocondriale:

Reducerea dimensiunilor

Sporirea densităţii matricei

Picnoză mitocondrială

Eliberarea în citosol de componente intramitocondriale (citocrom c, endonucleaze

G, AIF – “Apoptosis-Inducing Factor”

09.05.2012

23

2. Permeabilizare a membranei mitocondriale externe - capacitatea Bax şi t-Bid de a reorganiza moecular bistratul

3. Posibilitatea Bax şi Bak de a modifica permeabilitatea porinelor din membrana

mitocondrială externă

Mitocondria şi apoptoza

Mitocondria şi apoptoza

Teoria ruperii membranei externe

• Asemanătoare şocului hipoosmotic

• Contra-argument: procesul apoptotic decurge cu consum energetic

09.05.2012

24

Mitocondria şi apoptoza

B Desagher S et al., Trends Cell Biol 10:369, 2000

Peroxizomii

09.05.2012

25

Peroxizomii

Descopriţi de Johannes Rhodin – 1954 şi

denumiţi “microbodies”

Christian DeDuve 1965 – peroxizomi –

“peroxide metabolizing organelles”

Peroxizomii

09.05.2012

26

Funcţiile peroxizomilor

Producerea şi descompunerea peroxidului de

hidrogen

Oxidarea acizilor graşi – peste 24 de atomi de

carbon

Sinteza unor lipide – plasmalogeni, colesterol,

acizi biliari

Peroxizomii

oxidaze

RH2 + O2 R + H2O2

peroxidaze

RH2 + H2O2 R+ 2H2O

catalază

2H2O2 2H2O + O2

09.05.2012

27

Peroxizomii

Organite delimitate de o singură

membrană

Proteine membranare specifice

- PMP 70 (peroxisome membrane protein

70 kDa) din familia transportorilor de

proteine prin membrane

Peroxizomii

Matricea peroxizomală

Conţine peste 50 de enzime

Catalaza reprezintă 40% din proteinele peroxizomului

09.05.2012

28

Peroxizomii - MET

Peroxizomii

09.05.2012

29

Aspect MET

Peroxizomii

Lazarov şi Fujiki – 1985

– modelul multiplicării

autonome

Cresc prin încorporare

de proteine şi lipide.

Se autoreplică

Se împart în două după ce

ating o anumită

dimensiune

09.05.2012

30

Importul PEX3 şi PEX16

Veziculă pre-peroxizomală

3

16 Peroxizom capabil de import de PMP

Import de alte PMP-uri mediat de PEX19

Peroxizom capabil de import de proteine matriceale

Peroxizom matur

Import de proteine matriceale

Diviziune peroxizomală

mediată de PEX11

3

16

3

16

3

16

3

16

3

16

3

16

Diviziune peroxizomală

mediată de PEX11

Biogeneza peroxizomilor

Implicarea

reticulului endoplasmic în generarea

componentei lipdice

Studii pe celule

dendritice de şoarece – 2003 - există Pex în

regiuni bogate în reticul endoplasmic

09.05.2012

31

Proteine de schimb fosfolipidic

Biogeneza peroxizomilor

Toate proteinele peroxizomale sunt sintetizate în citosol pe ribozomii liberi

La capătul C-terminal există un tripeptid cu rol de etichetă SKL (Ser-Lys-Leu) – este semnalul de import al proteinelor în peroxizomi - Peroxisomal targeting signal PTS1 şi PTS2 ( la capătul N-terminal)

PTS este recunoscut de receptorii Pex (peroxine) proteine integrale– căi de import

09.05.2012

32

1 6

4

22

Pex7

Proteine

PTS2

Importul de proteine matriceale în peroxizom

Pex7

Proteine

PTS1

1. Legarea receptor-ligand

Pex5

Pex5

Pex7

Proteine

PTS1

Proteine

PTS2 Matrice

Citosol 17 14

13 2

8

12

10

2. Transportul

la peroxizom

3. Andocarea

receptorilor

4. Disociere

şi translocare

5. Reciclarea

receptorilor

09.05.2012

33

Boli peroxizomale

Produse prin absenţa unei singure enzime sau a unor

peroxizomi malformaţi

Patologie:

Sindrom Zellweger (cerebro-hepato-renal)- absenţa

peroxizomilor- acumulare de lipide în creier, hepatomegalie,

chiste renale

Adrenoleucodistrofia – Lorenzo„s oil – imposibilitatea de a

metaboliza corespunzător acizii graşi, ducând la degradarea

tecii de mielină a neuronilor – maladie X linkată