MITOCONDRIA

Célula vegetal

Célula animal

Altaman 1884 (Bioblasto)Bendu 1897 (Mitocondria) Mito = hilo Condria = gránulo

20 MINUTOS

COMPOSICIÓN GENERAL 60% Proteínas40% Lípidos-Fosfatidilcolina-Fosfatidiletanolamina-Fosfatidilinositol-Colesterol- Cardiolipina.80% Proteínas20% Lípidos- Colesterol-Cardiolipina

Adenilato quinasa

FUNCIÓN MITOCONDRIAL

Fo

F1

TRANSPORTE LÍPIDOS

LANZADERA GLICEROL 3 - FOSFATO

REACCIONES ANAPLERÓTICAS

DNA MITOCONDRIAL

TRANSPORTE DE PROTEÍNAS

Importe de proteínas a la mitocondria

Transporte de proteínas a la membrana o al espacio mitocondrial

FISIÓN FUSIÓN

Apoptosis

Producion celular de especiesProducion celular de especiesreactivas del oxígeno reactivas del oxígeno

Oxidasas de función mixta: citocromos P-450Oxidasas de función mixta: citocromos P-450

xantina oxidasaxantina oxidasahemoglobinahemoglobina

riboflavinariboflavinacatecolaminascatecolaminas

lipoxigenasalipoxigenasaprostaglandina sintasaprostaglandina sintasa

DNA

peroxisoma

membrana celularmembrana celularbicapa lipídicabicapa lipídica

mitocondria

citoplasmacitoplasma

retículo endoplásmicoretículo endoplásmico

Fe++(+)

Cu+(+)

oxidasasoxidasas flavoproteínasflavoproteínas

Metales de transición Metales de transición

Cadena Cadena respiratóriarespiratória

Las mitocondrias usan el 96% del oxigeno consumido y producen

radicales libres del oxígeno El oxígeno consumido en las

mitocondrias está acoplado a la producción del 92% del ATP usado en los mamíferos.

Las mitocondrias producen continuamente O2

- y NO, dos radicales libres.

Las mitocondrias son la fuente intracelular mas importante de O2

-.

LA PRODUCCIÓN MITOCONDRIAL DE RADICALES SUPERÓXIDO

En todas las células aeróbicas. En todas las células aeróbicas. La producción primaria de OLa producción primaria de O22

- - da cuenta del 1 % del da cuenta del 1 % del consumo de oxígeno del corazón y el hígado de rata. consumo de oxígeno del corazón y el hígado de rata.

Es alta en estado 4 (reposo) y baja en estado 3 Es alta en estado 4 (reposo) y baja en estado 3 (activo).(activo).

Mn-SOD específica en la matriz mitocondrialMn-SOD específica en la matriz mitocondrial

OO22--: KK(: KK(gg2s)2s)22((uu2s)2s)22((gg2p)2p)22((uu2p)2p)44((gg2p2pyy))22((gg2p2pxx))11

Producción mitocondrial de anión superóxidoProducción mitocondrial de anión superóxido

SuccinatoSuccinato FADFAD

(Fe-S)(Fe-S)33

(Fe-S)(Fe-S)66NADHNADH++ FMNFMN UQUQ bbTT bbKK cc11 cc aaaa33

OO22

HH22OO

OO22 OO22

OO22 OO22

LA PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE LA PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE ÓXIDO NÍTRICOÓXIDO NÍTRICO Las óxido nítrico sintasas (NOS) producen Las óxido nítrico sintasas (NOS) producen

NO a partir de arginina, NADPHNO a partir de arginina, NADPH22 y O y O22..

Hay tres NOS genómicas: Hay tres NOS genómicas: 1:nNOS (neuronal)1:nNOS (neuronal)2:iNOS (macrófagos)2:iNOS (macrófagos)3:eNOS (endotelio)3:eNOS (endotelio)

Arg + NADPH2 + O2 => Cit + H2O + NO

NADPHFADFMNCaMAlternative

Splicing

LA PRODUCCIÓN LA PRODUCCIÓN MITOCONDRIAL DE ÓXIDO MITOCONDRIAL DE ÓXIDO

NÍTRICONÍTRICO

La actividad de la mtNOS originalmente observada La actividad de la mtNOS originalmente observada en mitocondrias de hígado (Ghafourifar y en mitocondrias de hígado (Ghafourifar y Richter, 1997; Giulivi y col. 1998), ha sido también Richter, 1997; Giulivi y col. 1998), ha sido también determinada en cerebro, corazón, riñón, timo, y determinada en cerebro, corazón, riñón, timo, y músculo. músculo.

La mtNOS de hígado, secuenciada es nNOSLa mtNOS de hígado, secuenciada es nNOS (Giulivi, 2002) con modificaciones post-(Giulivi, 2002) con modificaciones post-traduccionales. traduccionales.

La producción de NO da cuenta de aproximadamente La producción de NO da cuenta de aproximadamente 0.25 % del consumo de oxígeno de los órganos. 0.25 % del consumo de oxígeno de los órganos.

La mtNOS utiliza NADPHLa mtNOS utiliza NADPH22, arginina y Ca, arginina y Ca2+2+ de la de la matriz mitocondrial.matriz mitocondrial.

mtNOSmtNOS

Los radicales libres producidos Los radicales libres producidos primariamente en sistemas biológicos son primariamente en sistemas biológicos son

OO22-- y NOy NO

O = O ·O = O · Radical Radical superóxidosuperóxido

·N = O·N = OOxido nítricoOxido nítrico

El descubrimiento de la superóxido dimutasa El descubrimiento de la superóxido dimutasa

En 1969 McCord y Fridovich describieron la actividad En 1969 McCord y Fridovich describieron la actividad enzimática de la superóxido dismutasa (SOD):enzimática de la superóxido dismutasa (SOD):

2 O2 O22

·- ·- + 2 H+ 2 H++ => H => H22OO2 2 ++ OO22

La existencia de la enzima implicaba la existencia de su La existencia de la enzima implicaba la existencia de su sustrato, el radical anión superóxido, en los seres vivos. sustrato, el radical anión superóxido, en los seres vivos.

La idea fue revolucionaria y confirmatoria de la “teoría La idea fue revolucionaria y confirmatoria de la “teoría de Gerschman” que postulaba a los radicales libres del de Gerschman” que postulaba a los radicales libres del oxígeno como el mecanismo molecular de la toxicidad oxígeno como el mecanismo molecular de la toxicidad del oxígeno y la radiación. del oxígeno y la radiación.

El dogma de FridovichEl dogma de Fridovich en biología y patologíaen biología y patología

La observación inicial de una Cu,Zn-SOD en La observación inicial de una Cu,Zn-SOD en eritrocitos fue extendida a todos los citosoles y eritrocitos fue extendida a todos los citosoles y complementada con la descripcion de una Mn-SOD en complementada con la descripcion de una Mn-SOD en las mitocondrias de las células aerobias (1970-1975). las mitocondrias de las células aerobias (1970-1975).

En la misma época, se estableció el “dogma de En la misma época, se estableció el “dogma de Fridovich” acerca de la toxicidad del radical hidroxilo y Fridovich” acerca de la toxicidad del radical hidroxilo y el papel protector de la SOD y la catalasael papel protector de la SOD y la catalasa

OO2 2 O O22·- ·- HH22OO2 2 HOHO· ·

HH22OO

SODSOD CatalasaCatalasa

HH22OO22 + + OO22 HH22O + OO + O22

En 1975-1980 se elaboró y aceptó un mecanismo En 1975-1980 se elaboró y aceptó un mecanismo con participación de Fecon participación de Fe2+/3+ 2+/3+ para la producción para la producción biológica de radical hidroxilo (camino de biológica de radical hidroxilo (camino de Fenton/Haber-Weiss):Fenton/Haber-Weiss):

1: O1: O22·-·- + Fe + Fe3+ 3+ O O22 + Fe + Fe2+2+ (Haber-Weiss, 1934) (Haber-Weiss, 1934)

2: H2: H22OO22 + Fe + Fe2+ 2+ HO HO· · + HO + HO- - + Fe + Fe3+3+ (Fenton,1890) (Fenton,1890)

1 + 2: O1 + 2: O22·-·- + H + H22OO2 2 OO22 + HO + HO- - + HO + HO··

El concepto molecular de la toxicidad de los El concepto molecular de la toxicidad de los radicales libres del oxígeno.radicales libres del oxígeno.

FeFe2+/3+2+/3+

La toxicidad biológica delLa toxicidad biológica del HOHO· · deriva de su capacidad deriva de su capacidad de abstraer hidrogeno de todas las especies químicasde abstraer hidrogeno de todas las especies químicas

OO22·-·- + H + H22OO2 2 OO22 + HO + HO- - + + HOHO··

OO22·-·- + NO + NO ONOOONOO- - + H + H++ ONOOH ONOOH

peroxinitrito ac. peroxinitrosoperoxinitrito ac. peroxinitroso

ONOOH ONOOH NONO33H H

ONOOH ONOOH ·NO·NO22 + + HOHO··

La producción de radical hidroxilo es clave para La producción de radical hidroxilo es clave para entender la toxicidad de las especies reactivas.entender la toxicidad de las especies reactivas.

FeFe2+/3+2+/3+

El El HOHO·· reacciona con grupos =CH- de biomoléculasreacciona con grupos =CH- de biomoléculas

HOHO·· + =CH+ =CH–– H H22O + =CO + =C· · - - (R· = (R· = radical de carbono)radical de carbono)

Estrés oxidativo como un in-balanceEstrés oxidativo como un in-balanceUn aumento de oxidantes o una disminución de

antioxidantes llevan igualmente al estrés oxidativo (Sies, 1984)

ESTRÉS OXIDATIVOESTRÉS OXIDATIVO

Estrés NitrosativoEn analogía con el término “estrés oxidativo”, se denomina “estrés nitrosativo” a la excesiva formación del radical óxido nítrico (NO) y especies reactivas del nitrógeno (RNS) derivadas del mismo.

ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO (ROS)O2

-. : radical superóxido

H2O2 : peróxido de hidrógeno

HO ·: radical hidroxiloROO ·: radical peroxiloROOH: hidroperóxido orgánico1O2 : oxígeno singulete

OXIDANTES CELULARESOXIDANTES CELULARESESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO Y DEL NITRÓGENOESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO Y DEL NITRÓGENO

ESPECIES REACTIVAS DEL NITRÓGENO (RNS)NO : óxido nítricoONOO - : anión peroxinitritoNO - : anión nitroxiloNO2 : dióxido de nitrógeno

Las denominaciones ROS y RNS enfatizan en el efecto biológico común y descuidan la identidad química de los efectores.

ANTIOXIDANTES CELULARESANTIOXIDANTES CELULARESENZIMASENZIMASOrigen genético• Superóxido dismutasa• Catalasa• Glutatión peroxidasa

Endógenos• Glutation

Exógenos• Vitamina E• Vitamina C

• Carotenoides• Flavonoides

ONOOONOO--

LA TRIADA OLA TRIADA O22--, NO Y ONOO, NO Y ONOO- - EN LA REGULACION, EN LA REGULACION,

LA PATOLOGIA Y EL ENVEJECIMIENTO LA PATOLOGIA Y EL ENVEJECIMIENTO MITOCONDRIALMITOCONDRIAL

OO22- - NONO

Producido por la mtNOS Producido por la mtNOS como regulador de la como regulador de la respiración. Es mayormente respiración. Es mayormente convertido en ONOOconvertido en ONOO--..

Producido en la autooxidación de Producido en la autooxidación de componentes de la cadena componentes de la cadena respiratoria. La mayor parte respiratoria. La mayor parte (88 %) dismuta a H(88 %) dismuta a H22OO22..

Potente oxidante. Normalmente reducido por NADHPotente oxidante. Normalmente reducido por NADH22, , UQHUQH22 y GSH. Cuando es producido en exceso (por y GSH. Cuando es producido en exceso (por ejemplo, en isquemia/reperfusión o inflamación) produce ejemplo, en isquemia/reperfusión o inflamación) produce nitración de tirosinas y disfunción mitocondrial. Su efecto nitración de tirosinas y disfunción mitocondrial. Su efecto acumulativo contribuye al envejecimiento tisular. acumulativo contribuye al envejecimiento tisular.

Condiciones clínicas con participación Condiciones clínicas con participación de estrés oxidativo (1)de estrés oxidativo (1)

Daño inflamatorio/inmune:Daño inflamatorio/inmune: GlomerulonefritisGlomerulonefritis VasculitisVasculitis Artritis reumatoideaArtritis reumatoidea Sindromes autoinmunesSindromes autoinmunes LupusLupusIsquemia-reperfusion:Isquemia-reperfusion: Post-infarto de miocardioPost-infarto de miocardio Post-shock cerebro-Post-shock cerebro-

vascularvascular Transplante de órganosTransplante de órganosSobrecarga de hierro/cobre:Sobrecarga de hierro/cobre: HemocromatosisHemocromatosis Talasemia, Talasemia,

Shock séptico y similaresShock séptico y similares Sindrome de inflamaciónSindrome de inflamación sistémica (SIRS) sistémica (SIRS) Shock sépticoShock séptico Falla multiorgánica (MOF)Falla multiorgánica (MOF)Alcoholismo:Alcoholismo: Hepatopatía alcohólicaHepatopatía alcohólica Miopatía alcohólica Miopatía alcohólica Neuropatía alcohólicaNeuropatía alcohólicaPulmón:Pulmón: HiperoxiaHiperoxia Toxicidad de paraquat y Toxicidad de paraquat y bleomicinableomicina Enfisema (ARDS, fumadores)Enfisema (ARDS, fumadores)

Sistema cardiovascular:Sistema cardiovascular: Aterosclerosis Aterosclerosis Toxicidad de adriamicinaToxicidad de adriamicina Enfermedad de Keshan Enfermedad de Keshan

(Se)(Se) Sindrome metabólicoSindrome metabólico Disfunción endotelialDisfunción endotelialRiñón:Riñón: Sindrome nefrótico Sindrome nefrótico

autoinmuneautoinmune Nefrotoxicidad de Pb, Cd y Nefrotoxicidad de Pb, Cd y

HgHg Hipertensión dependiente Hipertensión dependiente

del sistema renina-del sistema renina-angiotensinaangiotensina

Cerebro - Sistema Nervioso Cerebro - Sistema Nervioso Central:Central: Hiperoxia Hiperoxia Enfermedad de ParkinsonEnfermedad de Parkinson Enfermedad de AlzheimerEnfermedad de Alzheimer Esclerosis multipleEsclerosis multipleOjos:Ojos: CataratasCataratas Fibroplasia retrolentalFibroplasia retrolental Degeneración macularDegeneración macularPiel: Piel: Irradiación solar (porfiria)Irradiación solar (porfiria)

Envejecimiento:Envejecimiento:Envejecimiento normal yEnvejecimiento normal y acelerado (progeria y acelerado (progeria y

deportistas)deportistas)

Eritrocitos:Eritrocitos: Toxicidad de Pb y Toxicidad de Pb y

fenilhidrazinafenilhidrazina Fotooxidación de Fotooxidación de

protoporfirinasprotoporfirinas MalariaMalaria Anemia de FanconiAnemia de Fanconi

Tracto gastrointestinal:Tracto gastrointestinal: Daño hepático por endotoxinas Daño hepático por endotoxinas Hepatotoxicidad de hidrocarburosHepatotoxicidad de hidrocarburos halogenados (Clhalogenados (Cl44C, halotano,C, halotano, bromobenceno, etc)bromobenceno, etc)Hepatopatía alcohólica Hepatopatía alcohólica Isquemia-reperfusión delIsquemia-reperfusión del intestinointestino

Daño por radiaciones:Daño por radiaciones: Exposiciones accidentalesExposiciones accidentales RadioterapiaRadioterapia

MITOCONDRIAS DISFUNCIONALESMITOCONDRIAS DISFUNCIONALES

CARACTERISTICAS DE LAS MITOCONDRIAS CARACTERISTICAS DE LAS MITOCONDRIAS ACOPLADAS O FUNCIONALESACOPLADAS O FUNCIONALES

Bajo consumo de OBajo consumo de O22 en estado 4. en estado 4.

Alto consumo de OAlto consumo de O22 en estado 3. en estado 3.

Control respiratorio de 3 a 7 con succinato y de 4 a Control respiratorio de 3 a 7 con succinato y de 4 a 10 con malato-glutamato. 10 con malato-glutamato.

Relación ADP/O de 1.7-1.9 con succinato y 2.7-2.9 Relación ADP/O de 1.7-1.9 con succinato y 2.7-2.9 con malato-glutamato.con malato-glutamato.

Se consideran mitocondrias disfuncionales a aquellas que Se consideran mitocondrias disfuncionales a aquellas que muestran diferencias estructurales o de actividad bioquímica con muestran diferencias estructurales o de actividad bioquímica con

las mitocondrias normales o funcionales. las mitocondrias normales o funcionales. El criterio es El criterio es comparativo. comparativo.

MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN EL ENVEJECIMIENTOEL ENVEJECIMIENTO

Disminución del consumo de ODisminución del consumo de O22 Aumento del consumo de OAumento del consumo de O22

Control respiratorioControl respiratoriodisminuidodisminuidoAumento en la producciónAumento en la producciónde Ode O22

-- y de H y de H22OO2 2

Potencial de membranaPotencial de membranadisminuidodisminuido

Ca2+

_ + p

Ca2+

O2-

+p

Estrés oxidativo

H+

Ca2+

Ca2+

O2-

H+

--O2

-

MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN EL ENVEJECIMIENTOEL ENVEJECIMIENTO

La disminución del consumo de OLa disminución del consumo de O22 , de 30-50 %, se asocia a , de 30-50 %, se asocia a actividades selectivamente disminuidas, también 30-50 %, de los actividades selectivamente disminuidas, también 30-50 %, de los complejos I (NADH-ubiquinona reductasa) y IV (citocromo complejos I (NADH-ubiquinona reductasa) y IV (citocromo oxidasa).oxidasa).

I

NADH

2 H+

Succinate

CuFe

e-

UQ

2 H+

UQH2

2 H+

b

c

IVIIIII

e- e-e-

2 H+

2 H+

O2

H2O

Inhibición en el envejecimiento Las actividades Las actividades enzimáticas enzimáticas disminuídas disminuídas correlacionan con correlacionan con indicadores de indicadores de coordinación coordinación neuromuscular y neuromuscular y actividad actividad exploratoria. exploratoria.

MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES EN EL ENVEJECIMIENTO EL ENVEJECIMIENTO

Tamaño y espacio matricial aumentado Tamaño y espacio matricial aumentado

Fragilidad aumentada Fragilidad aumentada

Acumulación de productosAcumulación de productos de oxidación: ROOH, de oxidación: ROOH, TBARS, y 8-HO-dG TBARS, y 8-HO-dG

Ca2+

_ + p

Ca2+

O2-

+p

Estrés oxidativo

H+

Ca2+

Ca2+

O2-

H+

--O2

-

Cyt cCa2+

O2-

Cyt cCa2+

O2-

LAS MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES LAS MITOCONDRIAS DISFUNCIONALES SEÑALAN PARA LA DIGESTIÓN SEÑALAN PARA LA DIGESTIÓN

LISOSOMAL Y LA APOPTOSISLISOSOMAL Y LA APOPTOSIS

No siempre la producción celular de No siempre la producción celular de OO22

-- y NO es perjudicial y NO es perjudicial

(por lo menos para el huésped (por lo menos para el huésped vertebrado; hay dudas desde el vertebrado; hay dudas desde el punto de vista de las bacterias) punto de vista de las bacterias)

Neutrófilos

O2O2-

H2O2

H2O2 + Cl-

HOCl

NO

NOS

Producción de OProducción de O22--, NO y ONOO, NO y ONOO--

por células inmunocompetentespor células inmunocompetentes