Transporte de proteínas a la mitocondria y cloroplasto

Transporte de proteínas a la mitocondria y cloroplasto

El transporte de proteínas a la mitocondria y al cloroplasto, importe o transporte intracelular de proteínas a estos orgánulos es un proceso que incluye la síntesis, en el citosol, de proteínas con marcadores especializados en el reconocimiento de las membranas y entrada a estos orgánulos. Mitocondria y cloroplasto no sintetizan todas sus proteínas pese a tener su propio genoma. En su lugar las proteínas sintetizadas en el citosol entran sin plegamiento mediante un marcador. Las chaperonas, dependientes de ATP, tienen un papel imprescindible en el transporte adecuado y posterior plegamiento de las proteínas dentro del orgánulo. 1 Sólo unas pocas proteínas están codificadas por el DNA mitocondrial y sintetizadas por ribosomas mitocondriales, las que sí se codifican suelen ser subunidades de proteínas integrales en la membrana interna mitocondrial las cuales se incorporan a la misma inmediatamente después de su síntesis, lo cual hace que posteriormente el DNA mitocondrial vuelva a resurgir debido a la energía de estos. Las proteínas cuya síntesis es en el citosol incluyen a proteínas fundamentales como las necesarias para la fosforilación oxidativa, las DNA y RNA polimerasas y todas las proteínas ribosomales mitocondriales a excepción de un par.

Estructura de la mitocondria y el cloroplasto

Las mitocondrias y cloroplastos presentan doble membrana, una interna y un externa. Esta caracteríastica distintiva en ellos se puede explicar por la endosimbiosis.

Mitocondria

Cloroplasto

Los cloroplastos y mitocondrias por tanto son compartimentos celulares de doble membrana; los primeros tienen adicionalmente tilacoides, sistemas intermembranoso encargados de fotosintetizar. Estos organelos crecen incorporando lípidos y proteínas durante la interfase del ciclo celular, comparten el uso de la fuerza protón motriz y el mismo tipo de ATP-asa. Asimismo las proteínas de la cadena de transporte de electrones son similares. Cabe destacar que pese a tener su propio genoma sus proteínas se sintetizan en el citosol, concretamente en los ribosomas desacoplados al retículo endoplasmático de la célula. El proceso postraduccional de proteína permite la traslocación de la misma. La proteína requiere primero, de una secuencia que reconozca al organelo y segundo otra secuencia que reconozca en compartimento correcto del sistema de membranas de organelo. Para la translocación de estas proteínas citosólicas se requieren proteínas transmembranales e inversión energética.Con el ingeso de las proteínas el organelo puede crecer y posteriormente dar lugar a otros nuevos por fisión.

Los cloroplastos y mitocondrias son organelos similares, sin embargo, la principal diferencia que se observa entre ellos es la presencia de invaginación de membrana interna. En mitocondria las invaginaciones son parte la estructura y función mientras que en cloroplastos sólo pertenece a ciertos momentos de ontogenia, no al organelo desarrollado.

Translocación de las proteínas: control de acceso.

El proceso de translocación tiene una misma base en cloroplastos y mitocondrias. El control de acceso está en las translocasas de la membrana externa con la guía de proteínas chaperonas. El modo de transolocar no es idéntico ya que en las mitocondrias el paso está mediado por la afinidad de las unidades traslocasas y en cloroplastos la unión con GTP y la hidrólisis llevada a cabo por los receptores son requeridos. Se puede diferenciar un mecanismo para cada organelo:

• Mecanismo de transporte de proteínas al interior mitocondrial
• Mecanismo de transporte de proteínas al interior cloroplastidial

Captación de proteínas en Mitocondrias y Cloroplastos

La división de contenido de la célula en varios compartimentos representa un desafío de organización en cuanto a tráfico de proteínas. El tráfico de proteínas en una célula eucariota está regulado por:

1.    Señales de clasificación (péptido señal de proteínas secretadas con el grupo manosa-fosfato de enzimas lisosómicas)

2.    Receptores que reconocen estas señales y trasladan a las proteínas que las contienen a los compartimientos apropiados.

Cuatro principales organelos de la célula (mitocondria, peroxisomas, núcleo y cloroplasto), importan proteínas a través de una o varias membranas limitantes externas.  Por ejemplo: en el retículo endoplasmático rugoso, las proteínas que importan estos organelos contienen secuencias de aminoácidos que sirven como "domicilios" que reconocen los receptores en la membrana externa del organelo.

A diferencia del Retículo endoplasmático rugoso que casi importa sus proteínas al mismo tiempo de la traducción, las proteínas de estos otros organelos se importan después de la traducción, es decir, después de completar la síntesis en los ribosomas libres en el citosol.

Mecanismo de transporte de proteínas al interior mitocondrial

TOM complex

La membrana externa de la mitocondria consiste en 50% proteínas, las cuales constituyen el 4% de las proteínas totales. La función integral de todas las proteínas del sistema de translocación de doble membrana permite el paso de las proteínas a cuatro destinos:

• membrana mitocondrial externa
• espacio intermembrana
• membrana mitocondrial interna
• matriz mitocondrial

Complejo TIM/TOM

Sin embargo, el destino principal es la matriz mitocondrial. Las proteínas citosólicas recién sintetizadas sufren una postraducción en la que una secuencia dirigida a la mitocondria o matriz, o MTS de sus siglas en inglés ("mitochondria-targeting sequence"), se le adjunta al N-terminal. Esta proteína precursora o preproteína depende de esta secuencia para moverse en el espacio intracelular a su destino. Se requiere hidrólisis de ATP llevada a cabo por la chaperonas para el importe. Este principio de importación de proteínas se ha conservado en los organismos eucariotas. Los complejos TOM y TIM, junto con proteínas receptoras y otros componentes de los canales de translocación reciben a la preproteína. Básicamente hay cuatro tipos de proteínas transmembranales invilucradas en la translocación:

• Complejo TOM : Translocasa de la membrana externa (TOM en inglés),permite la entrada de proteínas mitocondriales codificadas del núcleo a esta región
  • TOM 70
  • TOM 40
  • TOM 20
  • TOM 22
  • TOM 5
  • TOM 6
  • TOM 7
• Complejo SAM: Proteína de membrana externa que es maquinaria de selección, ayuda al correcto plegamiento de proteínas barril-beta en la membrana externa.
• Complejo TIM: Translocasa de membrana interna (TIM, en inglés), transloca la presecuencia al interior.
  • TIM 23: Transportador de proteínas solubles a la matriz y mediador en la inserción de proteínas transmembrana al interior de la membrana interna.
  • TIM 22: participa en la inserción de ciertas proteínas que incluyen las trasportadoras que mueven ADP, ATP y fosfato dentro y fuera de la mitocondria.
• Complejo OXA: Translocasa de membrana interna, dentro de la mitocondria ayudar a insertar las proteínas de membrana interna. También ayuda en la inserción de proteínas importadas a la matriz por los otros complejos.

Exterior Mitocondrial

La secuencia diana (Mitochondrial target secuence, MTS) no sólo es reconocida por estas proteínas sino también por chaperonas citoplasmásticas. Está compuesta de 35 αα en el extremo N-terminal y es rica en Q+, Ser y Thr. La proteína recién sintetizada debe preservarse sin plegamiento para poner entrar a la mitocondria, es entonces cuando las chaperonas de la familia Hsp70 y otras que se unen directamente a la señal como la MFS (Mitochondrial Importe Stimulation ), se unen a la preproteína. La secuencia MTS tiene múltiples papeles en la importación protéica hasta que es separada al interior de la matriz mitocondrial.

La secuencia señal y porciones adyacentes del polipeptido se insertan en el complejo TOM, después interacciona con el transportador de membrana interno, complejo TIM, ambos complejos se hipotetiza están transitoriamente unidos en sitios de contactos entre las dos membranas. La secuencia señal es translocada a la matriz en un proceso que requiere un gradiente electroquímico de protones (ΔΨ) a través de la memebrana.

La translocasa de la membrana externa es un complejo formado por, Tom22, y Tom20, junto con Tom40, Tom7, Tom6, y Tom5. Tom20 y Tom22 son los receptores de la preproteína, que son responsables del reconocimiento de la presecuencia escincible que poseen las proteínas etiquetadas para el compartimento mitocondrial. Tom70 también es un receptor de la preproteína y podría reconocer algunas presecuencias escindible, aunque principalmente es responsable del reconocimiento de proteínas no escindibles y actúa como un punto de unión a chaperonas. Tom22 está anclada a la membrana externa por un único segmento de transmembrana y también juega un papel en la estabilización del complejo TOM.

Interior Mitocondrial

Al entrar en la matriz mitocondrial, a la preproteína se le unen chaperonas nuevamente por hidrólisis de ATP. Éstas se encargan del plegamiento del producto importado y son las chaperonas de matriz Hsc70, con estructura y función similar a las Hsc70 citosólicas. Su acción de hidrólisis podría adicionalemente proveer una fuerza que jala la proteína nativa o sin plegamiento a la matriz. La Hsc 70 está pegada a la superficie de la matriz de la membrana interna y previene la precipitación y el plegamiento prematuro de la proteína que atraviesa.

Una vez dentro de la matriz mitocondrial una proteasa corta, en el N-terminal de la proteína importada, la secuencia que la guio hasta el interior. Por último, aunque no siempre es necesario, la chaperona de matriz Hsc60 se une a la proteína de matriz para facilitar el plegamiento de la misma.

Mecanismo de transporte de proteínas al interior cloroplastidial

Representación del Tilacoide como diana. Un tránsito estromal de la secuencia peptídica (amarillo), está expuesto en la proteína traducida en ele citosol, que inducen al ribosomas y los translocones a empezar translocación al estroma. Una vez en el estroma, las señales peptidasas cortan la primera secuencia del péptido para liberar al transito Tilacoidal la secuencia del peptido (azul). Esto transporta la proteína a través de la membrana tilacoidal.

Los cloroplastos poseen 6 subcompartimentos a los que pueden llegar las proteínas:

1)      Membranas de envoltura interna y externa

2)      espacio intermembranoso

3)      estroma

4)      membrana tilacoidal

5)      luz tilacoide

La secuencia del péptido señal del cloroplasto se parece a la de la mitocondria pero tiene 55 aa, reconociendo el cloroplsto la mitad del N-terminal.

• Complejo TOC: Translocasas de la memebrana externa del cloroplasto. Transporta proteínas citosólicas,
• Complejo TIC: Translocasa de la memebrana interna del cloroplasto.

Los complejos TOC y TIC son translocasas localizadas en el cloroplasto de la célula eucariota, es decir, complejos proteicos que facilitan la transferencia de proteínas a través de las membranas de cloroplasto.

Este complejo es funcionalmente similar a los complejos TOM/TIM localizados en las membranas mitocondriales, en el sentidos de que también transporta proteínas al lumen de un organelo. Ambos complejos (TIM/TOM y TIC/TOC) son GTP-asas, esto es, ambos deben hidrolizar ATP en orden de potencial la translocación. El cloroplasto también emplea el poder de un gradiente electroquímico usanto protones. Este gradiente es usado sólo para activar el transporte a través de la membrana del tilacoide, sin embargo, el gradiente en la mitocondria es usado para el trasporte a través de la membrana interna.

Además, debido a la membrana del Tilacoide ubicada en el interior del cloroplasto, una segunda secuencia peptídica debe localizarse en la proteína importada. En el citosol, un péptido que señaliza el tránsito de la proteína al cloroplasto se expone. Esto inicia el transporte y translocación a través de los complejos TIC/TOC al interior del estroma. Es ahí donde una peptidasa rompe la secuencia señal de estroma del péptido, para revelar un tránsito peptídico, esta vez dirijido a la membrana del tilacoide.

Transporte de lípidos del citosol a las mitocondrias y los cloroplastos

Los ácidos grasos son biomoléculas de gran importancia para prácticamente todos los seres vivos, ya que a partir de ellos se pueden sintetizar diversos componentes celulares; como el colesterol y los fosfolípidos de las membranas de organelos y de la propia célula, así como los sustratos (por ejemplo, conversión a acetil CoA) usados en el ciclo de Krebs y el catabolismo energético dentro de las mitocondrias. Mucho de éstos ácidos grasos los obtenemos con la dieta, pero una parte importante también es sintetizada de novo dentro de las células de ciertos tejidos.

Los ácidos grasos al ser ingeridos son tratados en las diferentes secciones del tracto intestinal como preparación para su absorción, que es un proceso efectuado por distintas reacciones bioquímicas. Lo más inmediato e importante, es hacerlos solubles para poderlos ingresar a los diversos procesos, y cortarlos en fragmentos más pequeños, luego son distribuidos por la sangre a otros tejidos y órganos, como el hígado. En varios tipos celulares, tanto los ácidos grasos obtenidos de la dieta, una vez convertidos en sustancias más asimilables, como los fabricados de novo, permanecen en el citosol para ser usados en la producción de membranas celulares y energía.

Sin embargo, el transporte de los lípidos desde el citosol a las mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas no conlleva el mismo mecanismo que otras sustancias.

Tráfico vesicular

En las células eucariotas existen una serie de compartimentos delimitados por membranas que forman lo que se conoce como organelos. Cada organelo celular está especializado en una o varias funciones. Por ejemplo, el retículo endoplasmático es un gran productor de moléculas, mientras que el aparato de Golgi modifica esas moléculas, sintetiza glúcidos y los reparte a otros organelos; los lisosomas que funcionan como centros de degradación; o las mitocondrias y los cloroplastos que son grandes centrales energéticas, etcétera. En general, la necesaria comunicación entre los organelos está mediada por vesículas, que transportan las moléculas en su interior o integradas en sus propias membranas. A este conjunto de comunicaciones se les denomina tráfico vesicular.

Hay dos grandes rutas de comunicación entre los organelos: 1) una se inicia en el retículo endoplasmático, que envía vesículas al aparato de Golgi; éste las turna a la membrana plasmática en el proceso denominado exocitosis, que es la ruta exportadora, es decir, la que liberará al exterior las moléculas producidas por la célula; 2) la otra es la ruta importadora, y comienza en la membrana plasmática, donde se forman vesículas por un proceso denominado endocitosis, que luego se fusionan con los endosomas, que terminan convirtiéndose en lisosomas para degradar las moléculas incorporadas del medio extracelular.

Sin embargo, las mitocondrias, los cloroplastos y los peroxisomas no reciben ni forman vesículas para comunicarse con otros organelos y están fuera de la ruta vesicular, pero tienen otros mecanismos de comunicación intracelular. En mitocondrias y peroxisomas, sus lípidos de membrana deben ser importados, y para ello utilizan los llamados transportadores de lípidos: para los glicerofosfolípidos existen unas proteínas solubles llamadas intercambiadoras de glicerofosfolípidos, que se encargan de moverlos a través del citosol desde la membrana del retículo endoplasmático liso hasta sus propias membranas. En las células de los tejidos fotosintéticos, los cloroplastos son los encargados de sintetizar sus propios glicerofosfolípidos y glucolípidos.

La incorporación de lípidos dietarios al citosol, y la síntesis de novo

Grasas, aceites y lípidos consisten en un gran número de compuestos orgánicos que incluyen ácidos grasos, monoacilgliceroles, diacilgliceroles, triacilgliceroles, fosfolípidos, dicosanoides, resolvinas, docosanoides, esteroles, ésteres de esterol, carotenoides, vitaminas A y B, alcoholes grasos, hidrocarburos y ésteres cerosos. Clásicamente, los lípidos fueron definidos como sustancias solubles en solventes orgánicos, pero esta definición ha sido cambiada a una que incluye un sistema de clasificación más adecuado. La nueva clasificación define a los lípidos como pequeñas moléculas hidrofóbicas, anfifílicas o anfipáticas que pueden originarse completamente o en parte de la condensación de unidades de tioésteres o isoprenos.

Existen tres maneras que las células tienen para la obtención de los lípidos que se necesitan para la producción de energía: 1) a partir de los ácidos grasos que proceden de grasas de la dieta, 2) a partir de las grasas almacenadas en forma de gotitas de lípidos, y 3) grasas sintetizadas en un órgano y que se exportan a otro. Los vertebrados, por ejemplo, movilizan las grasas almacenadas en tejidos especializados, y en el hígado convierten estas grasas en glúcidos para exportarlos a otros tejidos. Los triacilgliceroles almacenados son prácticamente la única fuente de energía utilizada por los animales hibernadores y las aves migratorias. Las plantas superiores, por su lado, movilizan grasas almacenadas en las semillas durante la germinación.

Antes de ser absorbidos en la pared intestinal y luego ser distribuidos a otras partes del cuerpo, los triacilgliceroles presentes en forma de partículas de grasa macroscópicas insolubles en agua deben convertirse a micelas microscópicas. Para que esto ocurra, se les añaden sales biliares como el ácido taurocólico, que actúan como detergentes, lo que facilita la acción de lipasas hidrosolubles que convierten a los triacilgliceroles en acilgliceroles y diacilgliceroles. Luego, estos, de nuevo como triacilgliceroles y junto al colesterol ingestado forman agregados lipoproteicos de nombre quilomicrones, que eventualmente pasan, junto a otras moléculas como lipoproteínas de baja densidad y de alta densidad, desde el intestino al sistema linfático, de ahí a la sangre, al músculo y al tejido adiposo.

Los triacilgliceroles son hidrolizados por la lipoproteína lipasa para ser asimilados por las células no musculares o no adiposas. 

Activación de los ácidos grasos en el citosol

Las enzimas de oxidación de los ácidos grasos en células animales se encuentran en la matriz mitocondrial, pero los ácidos grasos libres que penetran en el citosol no pueden pasar directamente a esta matriz a través de las membranas mitocondriales. Para entrar, deben experimentar una serie de tres reacciones enzimáticas. La primera es la catalizada por una familia de isozimas de la membrana mitocondrial externa, la acil-CoA sintetasa, que con ATP, produce acil graso-CoA, AMP y PPi. El acil graso-CoA es un compuesto de alta energía, con un DG°’ = -31 kJ/mol. Luego para por las reacciones de la L-carnitina que se describen abajo.

La carnitina y el intercambio mitocondrial

El sistema de la carnitina, formado por la L-carnitina, sus derivados, y las proteínas implicadas en la transformación y el transporte; es indispensable para el metabolismo de la glucosa y de los lípidos en las células. Dos funciones principales han sido identificadas para el sistema de la carnitina: facilitación de la entrada de ácidos grasos libres de cadena larga a las mitocondrias para su utilización en procesos de generación de energía, y facilitación de la eliminación de los ácidos de cadena corta y de cadena media que se acumulan como resultado del metabolismo normal y anormal en las mitocondrias. En el citoplasma celular, los ácidos grasos libres de cadena larga se unen a una molécula de coenzima A (acil-coA), la cual es impermeable a la membrana mitocondrial, por lo que necesita de la L-carnitina para formar un complejo permeable (acilcarnitina), bajo la acción de la enzima carnitina palmitoil transferasa I y otras que se explican a continuación.

Las enzimas que intervienen en la vía metabólica de la oxidación mitocondrial de los ácidos grasos son: las palmitil-transferasas de carnitina (CPT 1 y 2), la translocasa de carnitina-acilcarnitina (CACT), las deshidrogenasas de acetil-CoA (ACA-DH), la hidratasa de enoil-CoA, la deshidrogenasa de 3 hidroxi-acetil-CoA, la beta-cetotiolasa, la sintetasa de beta-hidroxi-beta-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) y la liasa de HMG-CoA.

La l-carnitina es sintetizada en el hígado a partir de la lisina, con grupos metilos terminales donados por la S-adenosil-metionina, mediante 4 pasos enzimáticos en los cuales intervienen 2 oxidasas y el ácido ascórbico como cofactor. Los 3 primeros pasos también se realizan en el músculo cardíaco y esquelético y el precursor inmediato gammabutirobetaína completa su hidroxilación únicamente en el hígado.

La l-carnitina como tal viaja a las células de tejidos, en el lado externo de la membrana mitocondrial, donde la enzima palmitoil transferasa 1 de carnitina (CPT1) elabora los ésteres de carnitina de los ácidos grasos, pasando estos al interior de la mitocondria, donde la CPT2 los separa de su transportador para ser utilizados en la beta-oxidación. Después de esto la carnitina regresa al citosol para el siguiente ciclo de transferencia de los ácidos