Cloroplastos y Peroxisomas

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1 Cloroplastos y Peroxisomas Dr. Alejandro Roth Depto. Biología. Fac. Ciencias. Universidad de Chile 2011 Sitios WEB para estudiar Sitios para estudiar (castellano): Animaciones: photosynthesis.swf photosynthesis/photosynthesis.swf Libros PubMed

2 3 Cloroplastos y Peroxisomas Dr. Alejandro Roth Depto. Biología. Fac. Ciencias. Universidad de Chile 2011

3 Resumen: Recordar las diferencias entre ellos y las mitocondrias Teorías de origen Tamaño y División Número de membranas que los separan del citoplasma. Estructuras internas. Presentan ADN y ribosomas? Procesos metabólicos que realizan (a grandes rasgos) Plants Eucariontes Plantas Early diversification of algal/plant lineages and gene transfer to the host Origin of plastids Cianobacterias Ancient cyanobacterium Ancient protozoon Early diversification of eukaryotic lineages and gene transfer to the host Origin of mitochondria Arqueobacterias Ancient proteobacterium The host that acquired mitochondria Protobacterias Cyanobacteria Proteobacteria Archaebacteria Timmis et al, 2004, Nature Reviews Genetics

4 SIMBIOSIS: Paramecios con Chlorella Simbionte Cloroplastos: Familia Plastidios 1. Específicos para plantas 2. Varios tipos de plastidios, todos con el mismo genoma. Funciones: 1. Acumulación de pigmentos 2. Deposito de Almidón, grasas, aceites 3. Fotosintéticos 4. Geotropismo 4. Reducción de nitrito (NO2-) a amonio (NH3), paso esencial del ciclo del nitrógeno. 5. Remanente de Genoma propio (90% traspasado al núcleo, 120 a 160 kb. 120 genes ). 5 a 10 μm de longitud. (mitocondrias: 1 a 2 μm). Protoplasmidio Almacén de grasas, aceites, almidón. Concentración de pigmentos Fotosíntesis

5 Cloroplastos: Resumen 1. Fotosíntesis: H 2 O y CO 2 -> HCOH + O 2 2. Síntesis de amino ácidos, lípidos y componentes de membrana 3. Reducción de nitrito (NO2-) a amonio (NH3), paso esencial del ciclo del nitrógeno. 4. Uno de varios tipos de plastidios (todos con el mismo genoma) 5. Remanente de Genoma propio (90% traspasado al núcleo, 120 a 160 kb. 120 genes ). 5 a 10 μm de longitud. (mitocondrias: 1 a 2 μm). Protoplasmidio Hipótesis Endosimbiotica Qué evidencia tenemos de esto? Mitocondrias: Cloroplastos: 5. 6.

6 11 Cianobacteria 12

7 Morfología de los cloroplastos Espacios delimitados por 3 membranas: Membrana externa, altamente permeable Membrana Interna, impermeable Membrana Tilacoidal, impermeable a iones. Efectos metabólicos ocurren entre el espacio tilacoidal y estroma (medio interno). Fotosíntesis: Proceso de conversión de energía luminosa en energía química. Tiene lugar en estructuras especializadas en bacterias fotosintéticas, algas y plantas. Los cloroplastos capturan energía luminosa (hν) (fase clara) y Grana la utilizan para sintetizar compuestos orgánicos, en una serie de reacciones, a partir de CO 2 atmosférico (fijación del carbono o fase oscura). Características de los Cloroplastos: Al igual que las mitocondrias, poseen una membrana externa y una interna con un espacio intermembranas. La membrana interna rodea al estroma, un compartimiento, análogo a la matriz mitocondrial. En el estroma hay estructuras membranosas en forma de sacos planos denominados tilacoides que se apilan formando los grana. Diferentes granas se unen a través de regiones de la membrana tilacoide llamados láminas estromales.

8 Tres membranas: externa, interna y tilacoide y tres espacios separados: intermembranas, estroma, y lumen del tilacoide. La membrana tilacoide constituye el sitio de la fotosíntesis y es análoga a las crestas mitocondriales. Allí ocurren las reacciones acopladas de oxido-reducción que generan la fuerza protón-motriz (FP-M). La membrana tilacoide contiene varias proteínas integrales (fotosistemas II y I, el complejo citocromo b 6 -f), compuestos transportadores de e - (plastoquinona compuesto liposoluble), plastocianina (proteína pequeña con un centro Fe-S), pigmentos que absorben luz, (clorofila el más importante) y el complejo F 0 F 1 o ATPasa F 0 F 1. estroma clorofila luz hν luz hν H + FS-II H + FS-I lumen Captura de Energía Lumínica La Clorfila A absorbe la energía a las longitudes de ondas del órden Violeta- Azul y naranja-rojizo-rojo. Aprovecha muy poco la energía intermedia (Verde- Amarillo-Naranja). La Clorofila A es el principal pigmento fotosintético de todos los organismos excepto bacterias. Existen pigmentos accesorios que atrapan energía en las longitudes de onda que no son aprovechadas por la Clorofila A: Clorofila B, C, D y E (en algas y protistas). Xantofillas y Carotenoides.

9 Fotosíntesis En la fotosíntesis se pueden distinguir dos procesos: 1.- La fase luminosa, constituida por reacciones fotosintéticas de transferencia de electrones. Energía derivada de la luz solar energiza electrones en las moléculas de clorofila asociadas a los complejos multiprotéicos llamados fotosistemas I y II, que forman parte de una cadena transportadora de electrones ubicada en la membrana del tilacoide. En el FSII la clorofila a + es muy oxidante y captura los electrones de un dador: el H 2 0, que se rompe en reacciones catalizadas por un complejo proteico y como subproducto se produce O 2 : 2H 2 O + 4 h! 4H + + 4e - + O 2 LUMEN 4 hν hν reaction center Fotosíntesis Durante el transporte de electrones en la cadena se bombean protones a través de la membrana tilacoide hacia el lumen del tilacoide y el gradiente de potencial electroquímico de H + s generado, se utiliza para sintetizar ATP vía la ATPasa F 0 F 1. Como etapa final se reduce el NADP + a NADPH. LUMEN 4 hν hν reaction center

10 Comparación de la fotosíntesis con la fosforilación oxidativa. hν En la fotosíntesis, la transferencia de electrones inducida por la luz impulsa el transporte de protones al lumen o espacio tilacoide. Los protones fluyen fuera del lumen impulsados por su gradiente de potencial químico a través de la ATP sintetasa para generar ATP en el estroma. También la energía derivada de la luz solar es utilizada para producir NADPH requerido para la subsiguiente conversión de CO 2 a carbohidratos. 4 hν H + H + H + En la fosforilación oxidativa el flujo de electrones a lo largo de la cadena respiratoria impulsa el bombeo de protones fuera de la matriz mitocondrial. El gradiente de protones creado impulsa su flujo hacia a través de la ATP sintetasa para generar ATP en la matriz. qué es la fotofosforilación?

11 Orientación de la membrana y sentido del movimiento de protones a través de la F 0 F 1 ATP-sintetasa en bacterias, mitocondrias y cloroplastos hν Fotosíntesis II 2.- La fase de las reacciones de fijación de carbono o reacciones oscuras. ATP y NADPH producidos en las reacciones fotosintéticas de transferencia de electrones son utilizados para impulsar la conversión del CO 2 a hidratos de carbono (fijación del carbono) comenzando en un ciclo de reacciones (ciclo de Calvin). rubisco Cada molécula de CO 2 es agregada a una de ribulosa-1,5 difosfato para dar 2 moléculas de 3-fosfoglicerato. Estas reacciones que producen azúcares y otros compuestos orgánicos en las hojas de las plantas, comienzan en el cloroplasto (almidón) y continúan en el citosol (sacarosa) 2 gliceraldehído 3-fosfato 1 glucosa

12 Cloroplastos: preguntas 1. Defina: Fase clara y Fase oscura de la fotosíntesis. 2. Donde ocurre cada una? 3. En que se diferencia un fotosistema de un sistema antena? 4. Qué y cuáles son los pigmentos fotosintéticos? 5. qué diferencias poseen los cloroplastos de las mitocondrias? Provienen del mismo evento endosimbiótico? 6. Qué es un plastido? 7. Qué función cumple la gradiente de protones en la fotosíntesis? Entre que espacios se establece? 8. Cuál es la función de la enzima Rubisco? Por qué se necesita tanta?

13 Peroxisomas Pequeños organelos que contienen enzimas involucradas en una diversidad de reacciones metabólicas, incluyendo varios aspectos del metabolismo energético. Carecen de DNA y sus proteínas son codificadas por genes nucleares. Se replican por división. Contienen enzimas que oxidan varios sustratos orgánicos, generando peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ). La oxidación de los ácido grasos en peroxisomas produce grupos acetilo (CH 3 -CO-), usados en reacciones biosintéticas, pero no ATP. Junto a las mitocondrias, son los principales sitios de utilización de oxígeno. Una hipótesis es que los peroxisomas son un vestigio de un antiguo organelo que llevaba a cabo todo el metabolismo de oxígeno en células eucarióticas ancestrales. Las inclusiones paracristalinas electro-densas están compuestas de la enzima urato oxidasa. Microfotografías de dos tipos de peroxisomas encontrados en células vegetales A) Peroxisoma con un núcleo de estructura paracristalina en células de hoja de tabaco B) Peroxisomas (glioxisomas) en células almacenadoras de grasa en cotiledones de tomate.

14 Funciones Peroxisomales 50 Enzimas diferentes Metabolismo Lipídico: ß-oxidación de ácidos grasos de Cadena muy larga Very Long Chain Fatty Acids (VLCFA) Corresponde a una importante fuente de energía celular Formación y ruptura de Peróxido de Hidrógeno: catalasa Biosíntesis Lipídica (colesterol y plasmalógenos) Síntesis de aminas y de ácidos biliares Catabolismo de Purinas (urato oxidasa) Peroxisomas En los peroxisomas, varios sustratos son degradados en las reacciones oxidativas, incluyendo aminoácidos y ácidos grasos. La oxidación de éstos últimos es particularmente importante ya que constituye la principal fuente de energía metabólica. En las células animales, los ácidos grasos son oxidados en los peroxisomas y mitocondrias, pero en levaduras y plantas su oxidación está restringida a los peroxisomas. Los ácidos grasos con más de 12 átomos de carbono se degradan en una serie de reacciones similares a las que ocurren en mitocondrias. Acil CoA acortado en dos átomos de carbono

15 Reciclaje de FAD y NAD +, Generación de H2O2 y función de la catalasa Durante la oxidación de los ácidos grasos en los peroxisomas, los electrones transferidos a FAD y NAD + durante las reacciones de oxidación son posteriormente transferidos al O 2, formando H 2 O 2. El agua oxigenada es una sustancia tóxica para la célula (genera radicales libres, compuestos con electrones desapareados) que es convertida en agua y oxígeno por una catalasa, enzima presente en grandes cantidades en este organelo. Esta enzima cataliza la descomposición del H 2 O 2 en H 2 O y O 2. catalasa 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 En contraste con las mitocondrias, donde la oxidación de los ácidos grasos está acoplada a la formación de ATP, en los peroxisomas la energía liberada es convertida en calor. Síntesis de proteínas en la célula cómo se incorporan proteínas a estos organelos? RUTA SECRETORA Lodish et al, 2004

16 Biogénesis Peroxisomal -Sus proteínas son traducidas en en citoplasma y luego son dirigidas al organelo mediante señales carboxilo-terminales de su secuencia. -PTS1, señal de proteínas de matríz peroxisomal (Ser- Lys-Leu) que es reconocida por receptores solubles que dirigen la proteína al peroxisoma. Pex11 está involucrada en la proliferación de los peroxisomas Biogénesis Peroxisomal -Las proteínas integrales de membrana PEX10/12/2 forma un sistema de canal y receptor

17 Peroxisomas Además de proporcionar un compartimiento para las reacciones de oxidación, los peroxisomas están, involucrados en la biosíntesis de lípidos. En células animales, el colesterol es sintetizado en estos organelos así como en el RE. En el hígado los peroxisomas participan en la síntesis de ácidos biliares que derivan del colesterol. En plantas los peroxisomas juegan papeles importantes : dos En semillas participan en la conversión de ácidos grasos almacenados a hidratos de carbono, que es crítica para la germinación de la planta. En las hojas metabolizan glicolato (CH 2 OH- COO - ), un producto lateral formado durante en ciclo de Calvin en la fotosíntesis. Enfermedades Peroxisomales Falla en la formación del Peroxisoma Falla en una o más de las proteínas que incorporan proteínas al lúmen o la la membrana peroxisomal Espectro Zellweger: Síndrome Zellweyer: sin peroxisomas Adrenoleucodistrofia infantil Refsum's infantil Condrodisplasia punctata rizomélica: daños a la epífisis de los huesos. Fallas en la ß-oxidación Adrenoleucodistrofia: Aparece entre los 5 y los 7 años. Desmielinización asociada con insuficiencia adrenal. Falla en la proteína de transporte de tipo ABC que lleva a una falla en el procesamiento de los ácidos grasos de cadena muy larga. Adrenomieloneuropatía: Aparece a los 27 años (media), de mecanismos similar a la adrenoleucodistrofia, el daño ocurre ppalmente en la médula espina y lleva a paraplejia. Enfermedad de Refsum's de Adultos: elevadas concentraciones de ácido fitánico, producto metilado de la clorofila. Comienza como ceguera nocturna y avanza a retinosis pigmentaria atípica y posteriores daños al SNC. Dieta libre de Clorofila libera de la enfermedad

18 Síntesis de proteínas en la célula Transporte hacia la Matriz Mitocondrial: Lodish et al, 2004 Hay un péptido señal de entre 20 a 80 residuos de aminoácidos en el extremo amino terminal (con carga + y apolares) ->hélice anfifílica. Las proteínas cruzan ambas membranas mitocondriales a la vez (a través de proteínas transportadoras, o complejos proteicos, se le denomina también lugar de contacto ). Cuando se ha producido la importación el péptido señal es degradado en la matriz (por enzimas conocidas como peptidasas). Transporte de Proteínas hasta la Matriz de la Mitocondria -Canal de Traslocación El transporte requiere ATP y un gradiente electroquímico de la membrana interna. Chaperonas: proteínas que ayudan al cruce de la proteína en su estado desplegado y ayudan a su posterior plegamiento.

19 Chaperonas hsp70 se requieren para Translocación a Matriz Hsp60 mitocondrial = facilita el plegamiento Las proteínas cruzan en estado desplegado. Transporte hacia el Espacio Intermembrana (EI) o hacia la Membrana Interna (MI). El traslocador reconoce una señal hidrofóbica e impide que la proteína viaje hasta la matriz (señal de detención de la transferencia). Los traslocadores se desacoplan y la proteína queda en el EI. a EI a MI La señal hidrofóbica hace que la proteína se inserte en la membrana. 38

20 Transporte a luz del Tilacoide (Cloroplasto) Se requieren dos señales 1º Señal contiene Ser y Thr, además de aá hidrofóbicos y se halla en el extremo N terminal. 2 Señal tilacoidal hidrofóbica. Transporte hacia Cloroplastos Semejanzas con Transporte a Mitocondrias: 1. Es post-traduccional 2. Requieren energía 3. Requieren señales hidrofóbicas en su extremo amino terminal que luego serán eliminadas. Diferencia: En los cloroplastos no se usa la energía del gradiente electroquímico para el transporte. Se requiere ATP y GTP