Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet

I 0 flashcards i 18 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOLOGIA CEL·LULAR Grau en Biotecnologia Universitat Autònoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts complets del 2n parcial de Biologia Cel·lular: mitocondris, cloroplasts, peroxisomes, citoesquelet, senyalització cel·lular, cicle, mitosi i meiosi.

APREN.AI Índex Mitocondris 1 Estructura, biogènesi i importació de proteïnes Morfologia, dinamisme i ultraestructura compartimental Biogènesi, genoma mitocondrial i herència materna Importació de proteïnes solubles a la matriu Rutes d'inserció a la membrana mitocondrial interna Destí a l'espai intermembranós i a la membrana externa Importació de lípids i contacte interorganel·lar 2 Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa Principis de la respiració cel·lular i acoblament quimiosmòtic Oxidació de substrats a la matriu mitocondrial El cicle de Krebs (cicle de l'àcid cítric) La cadena de transport d'electrons de la membrana interna Gradient electroquímic de protons i l'enzim ATP sintasa Llançadores de NADH citosòlic i balanç energètic de la glucosa Transport a través de la MMI i termogènesi desacoblada Cloroplasts 3 Estructura, plastidis i importació de proteïnes Família dels plastidis i la seva diferenciació Arquitectura subcel·lular del cloroplast Biogènesi i genoma del cloroplast Importació de proteïnes del citosol a l'estroma Adreçament de proteïnes cap als tilacoides 4 Fotosíntesi i fixació de carboni Visió global: fotosíntesi versus respiració cel·lular Captació de radiació: pigments fotosintètics i organització dels fotosistemes Transport lineal d'electrons i l'esquema Z Transport cíclic d'electrons i fotofosforilació Cicle de Calvin: fixació estromàtica del carboni i destí del G3P Fotorespiració i adaptació anatòmica de les plantes C4 5 Peroxisomes — Estructura, biogènesi i rutes metabòliques 1.

Estructura general dels peroxisomes 2. Biogènesi peroxisomal i transport proteic 3. Rutes metabòliques i funcions oxidatives 4. Especialitzacions metabòliques en animals i vegetals Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 1 Citoesquelet 6 Introducció i estructura dels microfilaments d'actina 1. Visió comparativa dels tres sistemes del citoesquelet 2. Estructura de l'actina i polaritat funcional 3. Dinàmica de polimerització in vitro i concentració crítica 4. El casquet d'ATP i el fenomen de treadmilling 5.

Eines farmacològiques que modulen la polimerització 7 Dinàmica in vivo i proteïnes associades a l'actina Regulació del pool de monòmers: timosina β4 i profilina Nucleació de microfilaments: complex Arp2/3 vs formines Dinàmica dels extrems i fragmentació: cofil·lina, gelsolina i casquets Organització supramolecular: feixos (α-actinina i fimbrina) i xarxes (filamina) Ancoratge a la membrana plasmàtica: complex ERM, espectrina i distrofina 8 Miosines, contracció muscular i motilitat basada en actina 1. Superfamília de les miosines: estructura i tipologia 2. Ultraestructura del sarcòmer muscular 3. Cicle mecanoquímic de la miosina i regulació per calci 4.

Locomoció cel·lular i remodelació de l'actina 9 Citoesquelet — Microtúbuls: estructura, polimerització i MTOC Arquitectura molecular i polaritat del microtúbul Cinètica in vitro i el paper dels nucleòtids de guanina El model de la inestabilitat dinàmica Centres Organitzadors de Microtúbuls (MTOC) i el centrosoma Regulació cel·lular i farmacologia dels microtúbuls 10 Proteïnes associades a microtúbuls, motors moleculars i orgànuls motils Proteïnes reguladores de la dinàmica dels microtúbuls Motors moleculars: quinesines i dineïnes citosòliques Organització del trànsit vesicular i polarització d'orgànuls Ultraestructura i mecanisme del moviment de cilis i flagels Interconvertibilitat funcional: centríols i corpuscles basals 11 Filaments intermedis — Estructura, tipus i funció cel·lular 1.

Propietats diferencials del citoesquelet 2. Arquitectura molecular del monòmer i jerarquia d'assemblatge 3. Classificació i distribució tissular dels filaments intermedis 4. Dinàmica i regulació: la làmina nuclear i el cicle cel·lular 5. Proteïnes associades, unions cel·lulars i patologia (EBS) Senyalització cel·lular 12 Principis, comunicació intercel·lular i receptors intracel·lulars Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 2 1. Fonaments de la comunicació intercel·lular 2. Naturalesa química de les molècules senyal i localització dels receptors 3. Receptors intracel·lulars: via del gas òxid nítric (NO) 4. Receptors nuclears i hormones esteroidals 5.

Cinètica de la resposta cel·lular: cascades ràpides vs respostes lentes 6. Transducció del senyal, segons missatgers i interruptors moleculars 7.

Integració, modulació i finalització del senyal 13 Receptors acoblats a proteïnes G (GPCR) Arquitectura molecular dels receptors GPCR Cicle d'activació i inactivació de les proteïnes G heterotrimèriques Regulació directa de canals iònics: canal de K+ cardíac La cascada de l'adenilat ciclasa, l'AMPc i la proteïna-cinasa A (PKA) La via de la fosfolipasa C-β, IP3, diacilglicerol i dinàmica del Ca2+ 14 Receptors associats a enzims i integració de vies Organització general dels receptors associats a enzims Receptors tirosina-cinasa (RTK) i reclutament per dominis SH2 La cascada Ras / MAP cinases i gènesi tumoral Vies directes: la ruta Jak/STAT i la via TGF-β/Smad Integració de senyals (cross-talk) i atur de la resposta 15 Cicle cel·lular — Fases, sistema de control molecular i punts de transició Fases generals del cicle cel·lular i variacions cinètiques El marcapassos bioquímic: cinases Cdk i ciclines Mecanismes d'activació i inactivació dels complexos Cdk Punt de restricció G1 i transició a la fase S Resposta a lesions al DNA: eixos ATM/ATR, p53 i p21 Punt de control G2/M i detonació del complex MPF Punt de control M: el complex APC/C i la transició metafase-anafase 16 Mitosi — Fases de la divisió nuclear i reorganització dels microtúbuls Profase: condensació cromosòmica i inici del fus Arquitectura del fus mitòtic i motors moleculars Prometafase: trencament nuclear i captura cinetocòrica Metafase: alineació i equilibri de forces a la placa equatorial Anafase: segregació de cromàtides i forces motrius Telofase: reconstrucció nuclear i retorn a la interfase 17 Citocinesi en cèl·lules animals i vegetals Principis de la citocinesi i transició des de la telofase Citocinesi en cèl·lules animals: muntatge i regulació de l'anell contràctil Control espacial del solc i abscisió final (Midbody) Citocinesi en cèl·lules vegetals: fragmoplast i placa cel·lular Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 3 18 Meiosi — Comparativa amb la mitosi, etapes de la Meiosi I i Meiosi II Cicles biològics i comparativa fonamental: Mitosi vs Meiosi Mecanismes generadors de variabilitat genètica Profase I: Dinàmica i subetapes clàssiques Metafase I, Anafase I i Telofase I Intercinesi i Segona Divisió Meiòtica (Meiosi II) 19 Gametogènesi, complex sinaptinèmic i recombinació genètica Diferències cel·lulars entre espermatogènesi i ovogènesi Aparellament cromosòmic i complex sinaptinèmic Recombinació genètica i resolució en quiasmes Regulació de la cohesió cromosòmica: paper de la shugoshina 20 Resum per repassar Mitocondris i respiració cel·lular Cloroplasts i fotosíntesi Peroxisomes Citoesquelet Senyalització cel·lular Cicle cel·lular, mitosi, citocinesi i meiosi Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 4 1 Estructura, biogènesi i importació de proteïnes EN ACABAR SABRÀS Distingir la composició molecular i funcional dels quatre compartiments mitocondrials. Explicar el mecanisme de divisió mitocondrial mediat per DRP1 i les bases de l'herència materna. Descriure el procés de translocació de proteïnes a la matriu diferenciant el paper del potencial de membrana i de l'ATP. Comparar les tres vies d'inserció proteica cap a la membrana mitocondrial interna.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què els mitocondris no poden sintetitzar la totalitat dels seus lípids i proteïnes malgrat tenir genoma i ribosomes propis? Els mitocondris són orgànuls citoplasmàtics fonamentals especialitzats en la conversió d'energia i la producció d'ATP mitjançant l'oxidació de substrats metabòlics. Comparteixen amb els cloroplasts un origen endosimbiòtic ancestral, una organització de doble membrana i una condició semiautònoma gràcies a la possessió de material genètic propi i maquinària de traducció.

Mitocondris 1 Estructura, biogènesi i importació de proteïnes 2 Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 5 ESQUEMA Estructura i biologia del mitocondri Morfologia, dinamisme i ultraestructura compartimental El nombre, la forma i el volum dels mitocondris s'adapten a la demanda fisiològica cel·lular, arribant a ocupar fins al 25 % del citoplasma en cèl·lules altament actives.

Tot i que sovint es desplacen pel citoesquelet cap a zones de gran consum energètic, en certs teixits mostren una localització fixa: ancorats entre les miofibril·les del múscul cardíac per alimentar la contracció contínua, o disposats helicoïdalment a la peça intermèdia de l'espermatozoide per impulsar el moviment flagel·lar. L'arquitectura mitocondrial defineix quatre compartiments ben diferenciats morfològicament i funcionalment: Compartiment Gruix / Característiques Composició molecular Funció principal Membrana mitocondrial externa (MME) 70 Å. 50 % lípids i 50 % proteïnes; rica en porines integrals en barril .

Permet el pas lliure de soluts i metabòlits de fins a 5.000 Da; permeable i similar a la membrana plasmàtica. Espai intermembranós (EI) 60-100 Å; conté un 6 % de les proteïnes totals. Composició en petits soluts equivalent a la del citosol; conté enzims solubles i xaperones específiques. Recepció d'electrons i trànsit de molècules entre ambdues membranes.

Compartiments MME, EI, MMI i matriu Genoma i herència DNA circular, herència exclusivament materna Dinàmica Fissió per DRP1 i fusió Importació proteica Complexos TOM, TIM, SAM i OXA Trànsit lipídic Importació de REL i síntesi de cardiolipina β Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 6 Compartiment Gruix / Característiques Composició molecular Funció principal Membrana mitocondrial interna (MMI) 60 Å; replegada en crestes; conté el 21 % de les proteïnes totals. 20 % lípids i 80 % proteïnes. Molt impermeable; rica en cardiolipina; manca de porines. Seu dels complexos de la cadena respiratòria, l'ATP sintasa i translocons de transport específic.

Matriu mitocondrial Llum interior delimitada per la MMI; concentra el 67 % de les proteïnes de l'orgànul. Enzims d'oxidació del piruvat i cicle de Krebs; còpies de mtDNA, ribosomes procariòtics i tRNA. Processament catabòlic central, expressió gènica pròpia i replicació genòmica. DEFINICIÓ La cardiolipina és un fosfolípid doble amb 4 cues hidrofòbiques present exclusivament a la membrana mitocondrial interna. La seva presència confereix una alta impermeabilitat al pas de protons ( ) i estabilitza els grans complexos enzimàtics de la respiració. COMPROVA-HO 2 Per què la composició de petits soluts a l'espai intermembranós és pràcticament idèntica a la del citosol?

Biogènesi, genoma mitocondrial i herència materna Els mitocondris no es generen mai de novo: provenen exclusivament del creixement i partició d'orgànuls preexistents durant qualsevol moment de la interfase cel·lular (no restringit a la fase S). El procés requereix la replicació del seu genoma, la síntesi de proteïnes internes, la importació de components citosòlics i la transferència de lípids del reticle endoplasmàtic llis (REL). La fissió mitocondrial requereix la participació de DRP1, una proteïna relacionada estructuralment amb la dinamina.

Quan s'ha de produir la partició, DRP1 es recluta des del citosol cap a la cara externa de l'orgànul i forma un cinturó contràctil que hidrolitza GTP per estrangular i dividir el mitocondri en dues entitats independents, procés en el qual també col·labora el reticle endoplasmàtic. En sentit invers, els mitocondris també poden fusionar-se de manera dinàmica. El genoma mitocondrial presenta les particularitats següents: Estructura física: És una molècula de DNA circular bicatenari, desproveïda d'histones i sense organització en cromatina, present en múltiples còpies per orgànul (de 5 a 10).

Genoma humà: Consta de 16 kbp i codifica 37 gens: 2 rRNA (16S i 12S), 22 tRNA i 13 polipèptids hidrofòbics que formen part dels complexos de la membrana mitocondrial interna. En mamífers manca completament d'introns i representa aproximadament l'1 % del DNA cel·lular total (mentre que en oòcits d'amfibis pot arribar al 99 %). Codi genètic particular: Difereix del codi genètic nuclear universal. Les plantes constitueixen una excepció notable, ja que mantenen el codi universal. H+ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 7 Herència citoplasmàtica no mendeliana: En la fecundació, els mitocondris del flagel de l'espermatozoide s'eliminen per autofàgia després de la penetració.

Per tant, el mtDNA segueix una herència exclusivament materna; totes les malalties derivades de mutacions al mtDNA es transmeten únicament a través de la mare a tota la seva descendència. COMPROVA-HO 3 Quina conseqüència té sobre la descendència que un home estigui afectat per una malaltia mitocondrial deguda a una mutació al mtDNA? Importació de proteïnes solubles a la matriu Més del 95 % de les proteïnes de l'orgànul són codificades pel nucli i sintetitzades en ribosomes citosòlics lliures abans de ser importades post-traduccionalment.

Per arribar a la matriu, la cadena polipeptídica conté una seqüència senyal a l'extrem N-terminal (de 20 a 80 residus) que s'organitza en una hèlix amfipàtica amb una cara de residus amb càrrega positiva i una cara hidrofòbica. Esquema del mecanisme d'importació de proteïnes a la matriu mitocondrial. La translocació a la matriu segueix un mecanisme coordinat pas a pas: α Manteniment desplegat al citosol: Xaperones Hsc70 citosòliques s'uneixen al precursor consumint ATP per mantenir-lo en conformació lineal i evitar el plegament prematur abans de l'arribada a la superfície de l'orgànul.

1 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 8 ERROR FREQÜENT Confondre el paper del potencial de membrana ( ) amb el de l'ATP de la matriu en la translocació de TIM23. El potencial elèctric només s'encarrega d'electroforetitzar la seqüència senyal carregada positivament a través del canal TIM23; la força motriu que tracciona mecànicament tota la resta del polipèptid cap endins és la hidròlisi d'ATP executada per les xaperones Hsc70 de matriu.

Rutes d'inserció a la membrana mitocondrial interna Les proteïnes destinades a formar part de la MMI utilitzen tres mecanismes diferents en funció dels seus senyals i de la seva procedència: Via de destí Senyals que conté Complexos implicats Mecanisme de transferència Via A (Majors proteïnes d'un pas) Senyal N-terminal amfipàtic + senyal intern d'aturada de transferència. TOM40, TIM23/17 i proteasa MPP. La seqüència d'aturada bloqueja el pas pel canal TIM23/17 i obre lateralment el translocon, ancorant el domini a la bicapa; la MPP elimina el senyal N-terminal.

Reconeixement i translocació per la MME: El receptor TOM20/22 del complex TOM reconeix l'hèlix amfipàtica i canalitza la cadena polipeptídica a través del porus de translocació TOM40 cap a l'espai intermembranós. 2 Inserció i tracció per la MMI: En els punts de contacte entre membranes, la seqüència amb càrrega positiva és atreta cap a la matriu gràcies al potencial elèctric de membrana ( ) negatiu generat pel bombament respiratori de protons. El complex TIM23/17 forma el canal de translocació. 3 ΔΨ Tracció per xaperones i alliberament: A la cara matricial, xaperones Hsc70 de matriu estiren la cadena cap a l'interior consumint ATP mitjançant cicles de fixació i canvi conformacional.

4 Processament proteolític: La proteasa soluble MPP (Matrix Processing Peptidase) reconeix i talla la seqüència senyal N-terminal. La proteïna s'allibera i adopta el seu plegament natiu amb l'assistència de xaperones de matriu. 5 ΔΨ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 9 Via de destí Senyals que conté Complexos implicats Mecanisme de transferència Via B (Multipàs i proteïnes sintetitzades a matriu) Senyal N-terminal + diversos senyals interns reconeguts per OXA. TOM40, TIM23/17, MPP i complex OXA. La proteïna arriba completament a la matriu, la MPP processa el senyal N-terminal i el complex OXA la reinsereix a la MMI des de la cara interna.

També insereix les proteïnes codificades pel mtDNA. Via C (Transportadors multipàs com el transportador ATP/ADP) Sense senyal N- terminal; múltiples dominis transmembrana interns. Receptor TOM70, canal TOM40, xaperones TIM9/10 i complex TIM22. TOM70 rep el pèptid, que creua TOM40; a l'espai intermembranós, el complex de xaperones solubles TIM9/10 el protegeix i el guia cap al translocon TIM22, que l'insereix directament a la MMI.

PROCÉS Vies d'inserció a la membrana mitocondrial interna 1 Translocació inicial Pas comú pel complex TOM40 a la MME 2 Via A (Monopàs) Aturada a TIM23/17 i obertura lateral a bicapa 3 Via B (OXA) Arribada a matriu i reinserció per OXA 4 Via C (Multipàs) Xaperones TIM9/10 a l'EI i inserció per TIM22 COMPROVA-HO 4 Quina via permet la inserció a la membrana interna de les 13 proteïnes codificades pel propi genoma mitocondrial?

Destí a l'espai intermembranós i a la membrana externa Per a les proteïnes que no han d'arribar a la matriu ni a la MMI, existeixen sistemes d'orientació específics cap a l'espai intermembranós o la membrana externa: Proteïnes de l'espai intermembranós (EI): Via A (Clivatge proteolític): Conté un senyal N-terminal i una seqüència interna d'aturada. S'insereix a TIM23/17, però una proteasa dependent de l'espai intermembranós talla el domini ancorat, alliberant la proteïna soluble dins de l'EI.

Via B (Sistema Mia40): No té senyal N-terminal; travessa el canal TOM40 i és atrapada directament a l'EI per la xaperona Mia40, la qual catalitza la formació de ponts disulfur intermoleculars que estabilitzen el seu plegament i n'impedeixen el retorn al citosol. Proteïnes de la membrana externa (MME): Proteïnes amb hèlix transmembrana: Reconeixement per TOM20/22, inserció parcial a TOM40 i bloqueig per una seqüència d'aturada hidrofòbica interna que l'ancora directament a la MME α Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 10 sense clivatge per MPP.

Proteïnes en barril (com les porines): Creuen completament TOM40 cap a l'espai intermembranós, s'associen amb xaperones solubles i són inserides i plegades a la MME pel complex SAM (Sorting and Assembly Machinery). Diagrama de la inserció de proteïnes a la membrana mitocondrial externa. Importació de lípids i contacte interorganel·lar Els mitocondris no sintetitzen els seus fosfolípids estructurals de novo. La immensa majoria dels lípids s'importen des del reticle endoplasmàtic llis (REL) mitjançant dos mecanismes principals: Un cop els nous lípids arriben a la monocapa externa de la MME, es distribueixen uniformement a la monocapa interna mitjançant moviments de flip-flop.

Posteriorment es transfereixen a la MMI a través dels punts de contacte intermembranosos. A la MMI, aquests lípids importats pateixen processos de modificació enzimàtica local per sintetitzar molècules pròpies especialitzades com la cardiolipina. β Proteïnes d'intercanvi de fosfolípids: Proteïnes solubles citosòliques capturen monòmers lipídics individuals de la membrana del REL i els transfereixen a la monocapa externa de la MME. 1 Zones de contacte físic RE-mitocondri: Connexions estables de proximitat membranosa on determinats complexos proteics faciliten el traspàs directe de lípids entre ambdues membranes sense requerir trànsit vesicular.

2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 11 IDEES CLAU Els mitocondris són orgànuls semiautònoms d'origen endosimbiòtic amb doble membrana i DNA circular de 16 kbp. La fissió mitocondrial requereix la proteïna citosòlica DRP1, que forma un anell contràctil que hidrolitza GTP. L'herència del DNA mitocondrial és exclusivament materna a causa de la destrucció selectiva dels mitocondris de l'espermatozoide. La translocació a la matriu requereix tant el potencial elèctric de membrana a TIM23 com la hidròlisi d'ATP per les Hsc70 de matriu. La MMI insereix proteïnes mitjançant tres vies: TIM23/17 (via A), OXA (via B) i TOM70-TIM9/10- TIM22 (via C).

Les porines en barril de la MME són incorporades pel complex SAM després de passar pel canal TOM40. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Quines diferències estructurals i energètiques intervenen entre la inserció de proteïnes per la via A i la via C a la membrana interna? 6. Com aconsegueix la membrana mitocondrial interna la seva composició rica en cardiolipina si l'orgànul no pot fabricar fosfolípids bàsics de novo? MITOCONDRIS 2 Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa EN ACABAR SABRÀS Diferenciar les etapes cardinals de la respiració cel·lular i les seves localitzacions mitocondrials. Calcular el balanç de protons i molècules d'ATP produïdes a partir del NADH i del FADH2.

Comparar el rendiment energètic de la glucosa segons la llançadora de malat-aspartat o de glicerol-fosfat. Explicar el mecanisme quimiosmòtic de l'ATP sintasa i la funció desacobladora de la termogenina. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 7 Com és possible que el transport d'electrons a través de proteïnes de membrana acabi produint el moviment mecànic d'un enzim com l'ATP sintasa? β Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 12 Principis de la respiració cel·lular i acoblament quimiosmòtic La cèl·lula obté energia química útil mitjançant l'oxidació controlada de biomolècules.

Aquest catabolisme oxidatiu convergeix en el mitocondri mitjançant un mecanisme anomenat acoblament quimiosmòtic, en què l'energia alliberada pel moviment d'electrons s'emmagatzema inicialment com un gradient de protons a través de la membrana mitocondrial interna (MMI). La degradació aeròbica completa dels nutrients es divideix en quatre etapes cardinals interconnectades: Esquema de les etapes de la respiració cel·lular i fosforilació oxidativa mitocondrial.

DEFINICIÓ L'acoblament quimiosmòtic és el procés pel qual el transport d'electrons al llarg d'una cadena de transportadors de membrana genera un gradient electroquímic de protons ( ), la dissipació controlada del qual impulsa la síntesi mecànico-química d'ATP. COMPROVA-HO 8 Quina és la funció immediata de l'energia alliberada pels electrons que circulen per la cadena respiratòria? Oxidació inicial dels substrats a la matriu mitocondrial: conversió de piruvat, àcids grassos i esquelets d'aminoàcids en acetil-CoA. 1 Cicle de Krebs (àcid cítric): oxidació de l'acetil-CoA fins a , conservant electrons d'alta energia en transportadors reduïts.

2 CO 2 Cadena respiratòria de transport electrònic: pas dels electrons procedents del NADH i cap a l'oxigen molecular ( ), acoblat a l'expulsió de protons cap a l'espai intermembranós. 3 FADH 2 O 2 Fosforilació oxidativa: aprofitament del retorn dels protons cap a la matriu mitocondrial per part de l'enzim ATP sintasa per sintetitzar ATP. 4 H+ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 13 Oxidació de substrats a la matriu mitocondrial Els carbohidrats citosòlics es degraden mitjançant la glucòlisi generant piruvat.

La membrana mitocondrial externa (MME) és permeable gràcies a la presència de porines, mentre que per travessar la membrana mitocondrial interna (MMI) el piruvat necessita un transportador o permeasa específica. Dins la matriu mitocondrial, el complex multiproteic de la piruvat deshidrogenasa catalitza la descarboxilació oxidativa del piruvat (3 carbonis): El difon lliurement fora de la cèl·lula com a gas residual, mentre que l'acetil-CoA s'incorpora directament al cicle de l'àcid cítric. Els lípids emmagatzemats en forma de triacilglicèrids al teixit adipós s'hidrolitzen a àcids grassos lliures.

Aquests s'activen consumint l'equivalent energètic a la hidròlisi de dos enllaços rics en energia per formar acil-CoA (Acil-CoA). Després de ser transportats a la matriu, experimenten la beta-oxidació (cicle repetitiu de 4 reaccions). En cada volta d'hèlix, la cadena carbonada s'escurça en dos carbonis que s'alliberen com a acetil-CoA, produint alhora un NADH i un . Els aminoàcids s'oxiden de manera circumstancial i minoritària (en situacions de dejuni extrem) generant també acetil-CoA o intermediaris del cicle.

PER RECORDAR-HO Un àcid gras de 16 carbonis com el palmitat genera molt més poder reductor i molècules d'acetil- CoA per gram que un glúcid, mentre que una molècula de glucosa (6 C) en produeix entre 30 i 32. El cicle de Krebs (cicle de l'àcid cítric) L'acetil-CoA (2 carbonis) s'uneix a l'oxalacetat (4 carbonis) per originar citrat (6 carbonis). Mitjançant una sèrie d'oxidacions i reordenaments que alliberen dues molècules de , es regenera l'oxalacetat inicial. Cada volta d'aquest cicle tancat produeix poder reductor i un enllaç ric en energia fosfat: El GTP sintetitzat equival energèticament a una molècula d'ATP.

Així, per cada molècula de glucosa original (que rendeix 2 acetil-CoA), el cicle aporta 4 , 6 NADH, 2 i 2 GTP. Piruvat + HS-CoA + NAD + Acetil-CoA + NADH + H + + CO 2 CO 2 FADH 2 CO 2 Acetil-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + P + i 2 H O 2 2 CO + 2 3 NADH + FADH + 2 GTP + HS-CoA CO 2 FADH 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 14 CICLE Cicle de l'àcid cítric (cicle de Krebs) 1. Condensació inicial: Acetil-CoA (2C) i oxalacetat (4C) formen citrat (6C) 2. Primera descarboxilació: Oxidació a alfa-cetoglutarat alliberant CO2 i NADH 3. Segona descarboxilació: Formació de succinil-CoA alliberant el segon CO2 i NADH 4.

Fosforilació a nivell de substrat: Conversió a succinat generant una molècula de GTP 5. Oxidacions finals: Pals a fumarat i malat produint FADH2 i un NADH addicional 6. Regeneració d'oxalacetat: L'oxalacetat queda llest per rebre un nou acetil-CoA COMPROVA-HO 9 Quants àtoms de carboni s'eliminen en forma de diòxid de carboni per cada volta del cicle de l'àcid cítric? La cadena de transport d'electrons de la membrana interna La cadena respiratòria es localitza a la membrana mitocondrial interna (rica en cardiolipina; vegeu «Mitocondris — Estructura, biogènesi i importació de proteïnes») i està formada per quatre complexos multiproteics fixos i dos transportadors mòbils.

El flux d'electrons és unidireccional gràcies al potencial redox progressivament creixent de cada baula (des d'un potencial molt reductor a l'inici fins a l'afinitat màxima per l'oxigen al final). 1 Condensació inicial 2 Primera descarboxilació 3 Segona descarboxilació 4 Fosforilació a nivell de substrat 5 Oxidacions finals 6 Regeneració d'oxalacetat Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 15 Diagrama del transport electrònic i translocació de protons en els complexos mitocondrials. Esquema detallat dels centres redox i transportadors de la cadena respiratòria.

Element de la cadena Funció i grups prostètics Bombeig de Complex I (NADH deshidrogenasa) Oxida el NADH matricial i cedeix 2 electrons a la ubiquinona mitjançant FMN i diversos centres ferrosulfurats (Fe-S). 4 H+ per cada parell d'electrons. Complex II (Succinat deshidrogenasa) Enzim integrat en el cicle de Krebs. Oxida succinat a fumarat transferint electrons des del FAD i centres Fe-S cap a la ubiquinona. 0 H+ (no travessa completament la membrana). Ubiquinona (Coenzim Q) Transportador hidrofòbic mòbil petit que es desplaça per la bicapa lipídica. Copsa 2 electrons i 2 protons ( ). Difon entre els complexos I/II i el complex III.

Complex III (Citocrom c reductasa) Transfereix electrons des de la ubiquinona reduïda cap al citocrom c a través de citocroms i centres Fe-S. 4 H+ translocats a l'espai intermembranós. H+ QH 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 16 Element de la cadena Funció i grups prostètics Bombeig de Citocrom c Proteïna perifèrica hidrosoluble situada a l'espai intermembranós. Transporta electrons d'un en un mitjançant el seu grup hemo. Transportador lliure entre complex III i complex IV. Complex IV (Citocrom c oxidasa) Capta electrons del citocrom c utilitzant grups hemo i àtoms de coure per reduir l' a . 2 H+ bombats cap a l'espai intermembranós.

A causa de la diferència en el punt d'entrada dels electrons: Cada NADH cedeix els electrons al Complex I, travessa els complexos I, III i IV i aconsegueix el bombeig d'un total de 10 H+. Cada ingressa pel Complex II (saltant-se el complex I), de manera que només mobilitza 6 H+ cap a l'espai intermembranós. PROCÉS Flux d'electrons i generació del gradient de protons ERROR FREQÜENT Confondre la quantitat de protons bombats pel amb la del NADH. El Complex II (succinat deshidrogenasa) no transloca protons; per tant, els electrons del generen 4 protons menys que els procedents del NADH.

COMPROVA-HO 10 Quants protons es necessiten per generar dues molècules d'aigua al final de la cadena respiratòria i quin és l'acceptor final dels electrons?

H+ O 2 H O 2 FADH 2 Donació d'electrons NADH al Complex I o FADH2 al Complex II 1 Paso a la ubiquinona El coenzim Q rep electrons i difon per la membrana 2 Complex III i citocrom c Translocació de protons i reducció del citocrom c mòbil 3 Complex IV cap a l'oxigen Reducció final de l'oxigen molecular formant aigua 4 Retorn per l'ATP sintasa Els protons tornen a la matriu impulsant la síntesi d'ATP 5 FADH 2 FADH 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 17 Gradient electroquímic de protons i l'enzim ATP sintasa L'acumulació de protons a l'espai intermembranós crea una força protó-motriu dividida en dos components: Component elèctric ( ): la diferència de càrrega elèctrica fa que l'espai intermembranós sigui positiu respecte a la matriu mitocondrial (negativa).

És el component quantitativament dominant en l'emmagatzematge d'energia. Component químic ( ): l'espai intermembranós té un pH aproximat de 7 (neutre), mentre que la matriu manté un pH bàsic d'uns 8. L'ATP sintasa és una bomba proteica de tipus F de funcionament reversible que canalitza aquest gradient per sintetitzar ATP. Es compon de dues subunitats principals: DEFINICIÓ La relació estequiomètrica de síntesi indica que per generar 1 molècula d'ATP a la matriu cal el pas de 3 H+ per l'ATP sintasa i 1 H+ addicional per al cotransport del fosfat inorgànic. En total, es requereixen 4 H+ per ATP generat. Com que cada NADH bomba 10 protons, el seu rendiment equival a .

Per al (6 protons translocats), el rendiment és de . Llançadores de NADH citosòlic i balanç energètic de la glucosa La membrana mitocondrial interna és impermeable al NADH generat durant la glucòlisi citosòlica. Per aprofitar aquests electrons a la matriu s'utilitzen dos sistemes de llançadora independents: Llançadora d'aspartat-malat: predominant a hepatòcits, ronyó i miocardi. Els electrons del NADH citoplasmàtic es cedeixen a l'oxalacetat per formar malat, que travessa la MMI. A la matriu, el malat regenera oxalacetat i transfereix els electrons a un matricial. Com a resultat, el rendiment es manté en 2,5 ATP per NADH citosòlic (32 ATP nets per molècula de glucosa).

Llançadora del glicerol-fosfat: habitual al teixit muscular esquelètic i cervell. Cedeix els electrons del NADH citosòlic al dihidroxiacetona-fosfat formant glicerol-3-fosfat, el qual redueix directament un cofactor FAD unit a l'enzim de la membrana interna. En transformar-se en , només generarà 1,5 ATP per unitat (30 ATP nets totals per glucosa). Etapa metabòlica Productes directes Rendiment final en ATP Glucòlisi citoplasmàtica 2 ATP + 2 NADH 5 o 7 ATP (segons la llançadora utilitzada: 2x1,5 o 2x2,5 + 2 ATP) ΔΨ ΔpH Domini : canal transmembranal hidrofòbic inserit a la MMI pel qual flueixen els protons a favor de gradient electroquímic.

Aquest pas indueix el gir físic d'un anell de proteïnes transmembrana. 1 F 0 Domini : cap globular situat a la matriu mitocondrial que conté els centres catalítics. La rotació del rotor mecànic connectat al domini canvia la conformació de les subunitats catalítiques d' , forçant la unió de l'ADP amb el fosfat inorgànic ( ).

2 F 1 F 0 F 1 P i = 4 10 2,5 ATP FADH 2 = 4 6 1,5 ATP NAD+ FADH 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 18 Etapa metabòlica Productes directes Rendiment final en ATP Descarboxilació del piruvat 2 NADH (per glucosa) 5 ATP (2 × 2,5 ATP) Cicle de Krebs 2 GTP + 6 NADH + 2 FADH2 20 ATP (2 + 15 + 3 ATP) Balanç global complet Oxidació total a CO2 30 o 32 ATP COMPROVA-HO 11 Per què una cèl·lula del miocardi obté 32 ATP per glucosa mentre que una fibra muscular esquelètica en pot obtenir només 30?

Transport a través de la MMI i termogènesi desacoblada A més de la síntesi d'ATP, el potencial electroquímic de protons s'aprofita per al transport transmembrana de metabòlits essencials: Cotransport de piruvat: entra a la matriu mitjançant un simport acoblat a l'entrada favorable d'un protó ( ). Importació de fosfat inorgànic ( ): s'introdueix mitjançant una permeasa específica per cotransport simport amb un (o antiport amb un ió hidroxil, ), consumint efectivament un protó del gradient per cada fosfat. Intercanviador d'adenina nucleòtids (translocasa ADP/ATP): proteïna antiport que expulsa cap a l'espai intermembranós i entra a la matriu.

Aquesta sortida d'una càrrega negativa neta està afavorida pel potencial de membrana positiu extern. En el teixit adipós bru de mamífers nounats i animals que hibernen, la MMI expressa una proteïna canal anomenada termogenina (UCP1, de l'anglès uncoupling protein 1). La termogenina és una proteïna desacobladora que permet el retorn directe dels protons cap a la matriu a favor de gradient electroquímic sense passar per l'ATP sintasa. D'aquesta manera, l'energia emmagatzemada en el gradient de protons es dissipa directament en forma de calor per a la termoregulació corporal.

H+ P i H+ OH ATP4 ADP3 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 19 IDEES CLAU La respiració cel·lular mitocondrial sintetitza ATP mitjançant el mecanisme d'acoblament quimiosmòtic a través de la MMI. El cicle de Krebs a la matriu transforma cada grup acetil-CoA en , , i . Els electrons flueixen espontàniament a través dels complexos I-IV seguint un potencial redox creixent cap a l'oxigen molecular. La translocació de protons per cada parell d'electrons és de 10 per al NADH i de 6 per al . Es necessiten exactament 4 per generar un ATP a la matriu: 3 canalitzats per l'ATP sintasa i 1 per al transport de fosfat.

La termogenina (UCP1) del teixit adipós bru dissipa el gradient de protons per produir calor en comptes de generar ATP. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 12. Com es desglossa la despesa de 4 protons requerida per aconseguir la síntesi d'una molècula d'ATP a la matriu? 13. Quina diferència funcional existeix entre el complex I i el complex II pel que fa al bombament de protons? 14. Quin paper desenvolupa la proteïna UCP1 (termogenina) en els mitocondris del teixit adipós bru? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 15. Quina proteïna duu a terme la fissió mitocondrial consumint GTP? 16. Quina funció específica té la proteasa MPP a la matriu mitocondrial? 17.

Quin complex s'encarrega d'inserir proteïnes en barril beta a la membrana externa? 2 CO 2 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP H+ H+ FADH 2 H+ Mia40 a) MPP b) DRP1 c) TOM40 d) Eliminar la seqüència senyal N-terminal a) Degradar mitocondris senescents b) Generar el potencial elèctric de membrana c) Tallar els ponts disulfur de Mia40 d) Complex TIM22 a) Complex TIM23 b) Complex OXA c) Complex SAM d) Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 20 18. Per què les alteracions del mtDNA s'hereten exclusivament per línia materna? 19. Quin d'aquests complexos de la cadena respiratòria NO bomba protons cap a l'espai intermembranós? 20.

Quants protons calen en total per produir un ATP matricial aprofitant el gradient? 21. Quin rendiment net d'ATP s'obté per glucosa si s'utilitza la llançadora de glicerol-fosfat? 22. Quin és l'acceptor terminal dels electrons en la fosforilació oxidativa mitocondrial?

Els mitocondris de l'espermatozoide són degradats per autofàgia a) El genoma del pare s'inactiva químicament b) L'òvul elimina el seu propi mtDNA c) L'espermatozoide no té mai mitocondris d) Complex III a) Complex IV b) Complex II c) Complex I d) 2 protons a) 10 protons b) 4 protons c) 3 protons d) 32 ATP a) 36 ATP b) 30 ATP c) 38 ATP d) Citocrom c a) Coenzim Q b) Oxigen molecular (O2) c) NAD+ d) Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 21 3 Estructura, plastidis i importació de proteïnes EN ACABAR SABRÀS Distingir els diferents tipus de plastidis i el paper de la llum en la transició de proplastid a cloroplast.

Descriure la funció i permeabilitat dels tres compartiments i membranes del cloroplast. Explicar el mecanisme molecular d'importació de proteïnes cap a l'estroma a través dels complexos TOC i TIC. Comparar les quatre rutes d'adreçament de proteïnes a la membrana i a la llum tilacoidal. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 23 Com aconsegueix el cloroplast introduir proteïnes a la llum tilacoidal si aquestes ja s'han plegat i han unit cofactors metàl·lics a l'estroma? Els vegetals presenten una família d'orgànuls exclusiva anomenada plastidis, caracteritzats per posseir una doble membrana i un genoma propi d'origen endosimbiòtic.

Segons la funció del teixit on es troben, aquests orgànuls es diferencien en formes especialitzades amb funcions metabòliques o d'emmagatzematge pròpies. Cloroplasts 3 Estructura, plastidis i importació de proteïnes 4 Fotosíntesi i fixació de carboni Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 22 ESQUEMA Organització de l'estudi del cloroplast Família dels plastidis i la seva diferenciació Tots els membres de la família deriven d'un precursor comú immadur anomenat proplastid. La diferenciació depèn del destí cel·lular i de factors ambientals, especialment la presència o absència d'estímul lumínic: Esquema de la diferenciació dels plastidis a partir del proplastid precursor.

Cloroplasts: Són els únics plastidis capaços de desenvolupar la fotosíntesi. La llum desencadena la síntesi de clorofil·les i la invaginació de la membrana interna, que dona lloc a vesícules que es Biologia del cloroplast Visió global del tema Família de plastidis Proplastidis, leucoplasts, cromoplasts Arquitectura de 3 membranes Membrana externa, interna i tilacoides Genoma i biogènesi Fissió binària per dinamina Importació de proteïnes Complexos TOC/TIC i vies tilacoidals Fotosíntesi i assimilació Fase lumínica i cicle de Calvin Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 23 fusionen formant la xarxa tilacoidal. En absència prolongada de llum, poden derivar a formes intermèdies.

Cromoplasts: Sintetitzen i acumulen pigments carotenoides, responsables de les coloracions vermelles, ataronjades i grogues típiques de flors, fruits madurs i algunes arrels. Leucoplasts: Plastidis no pigmentats especialitzats en la reserva energètica i biosíntesi en teixits no fotosintètics. Es classifiquen segons el compost que emmagatzemen: Amiloplasts: Acumulen grànuls de midó (molt abundants en tubercles com la patata). Elaioplasts: Acumulen gotes de lípids i olis. Proteïnoplasts: Magatzem de proteïnes de reserva. COMPROVA-HO 24 Quina transformació estructural pateix un proplastid quan s'exposa a la llum per formar un cloroplast actiu?

Arquitectura subcel·lular del cloroplast El cloroplast té una mida notablement superior a la del mitocondri. La seva organització estructural comprèn tres membranes que delimiten tres compartiments independents: Regió o membrana Composició bioquímica Característiques i funció Membrana plastidial externa Conté porines de transport passiu Permeable a soluts i metabòlits de fins a 5.000 Da. Espai intermembranós Solució aquosa Composició equivalent al citosol gràcies a la permeabilitat de la membrana externa. Membrana plastidial interna 60 % lípids i 40 % proteïnes Molt impermeable; conté permeases de transport. No forma crestes ni presenta cadena respiratòria ni ATP sintasa.

Estroma Fluid ric en enzims metabòlics solubles Equival a la matriu mitocondrial. Allotja el DNA cloroplàstic, ribosomes procariòtics, ARN de transferència i inclusions de midó. Membrana tilacoidal 38 % lípids, 50 % proteïnes i 12 % pigments Exclusiva del cloroplast. Forma sacs aplanats (tilacoides) apilats en grana i interconnectats per lamel·les. Acull els fotosistemes, la cadena transportadora i l'ATP sintasa. Llum tilacoidal (lumen) Medi aquós ric en enzims específics pH àcid (aprox. pH = 5) a causa de l'acumulació de protons per la fotofosforilació activa.

A diferència del mitocondri (on el gradient es genera a través de la membrana interna; vegeu «Mitocondris — Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa»), en el cloroplast la membrana interna no manté cap potencial electroquímic funcional: el gradient de protons es genera i manté exclusivament a la membrana tilacoidal. Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 24 Diagrama comparatiu del gradient de protons entre mitocondri i cloroplast. ERROR FREQÜENT No confonguis el paper energètic de la membrana interna del mitocondri amb el de la membrana interna del cloroplast.

En el cloroplast, la membrana interna NO té ATP sintasa ni genera gradient de protons; tota la maquinària de síntesi d'ATP associada al transport d'electrons està confinada exclusivament a la membrana tilacoidal. Biogènesi i genoma del cloroplast Els cloroplasts mai no s'originen de novo, sinó per fissió d'orgànuls preexistents durant la interfase mitjançant dues fases coordinades: El genoma plastidial consisteix en un únic cromosoma circular de doble cadena, més extens que el mitocondrial. Segueix el codi genètic nuclear universal i codifica ARNt, ARNr i subunitats clau de complexos tilacoidals i de la RuBisCO.

La seva transmissió és citoplasmàtica (herència no mendeliana), podent ser estrictament materna o biparental segons l'espècie vegetal. Creixement de l'orgànul: Replicació del DNA plastidial, traducció autònoma als ribosomes de l'estroma, síntesi de tots els lípids a l'interior del mateix orgànul i recepció de proteïnes nuclears importades des del citosol (que representen el 90 % del total proteic). 1 Divisió per fissió binària: Proteïnes estructurals marquen la zona de divisió a la cara citosòlica, on es munta un anell contràctil de dinamina que hidrolitza GTP per estrènyer la doble membrana i separar les dues meitats.

2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 25 COMPROVA-HO 25 Quina és la font de lípids requerida per al creixement i expansió de les membranes del cloroplast? Importació de proteïnes del citosol a l'estroma El 90 % de les proteïnes cloroplàstiques estan codificades al nucli, es tradueixen completament a ribosomes lliures citosòlics i s'incorporen mitjançant importació postraduccional. Les proteïnes amb destinació a l'estroma posseeixen un pèptid senyal d'importació (d'uns 30 aminoàcids) a l'extrem N- terminal. Diagrama de la importació postraduccional a l'estroma mitjançant TOC, TIC i SPP.

El trajecte citosol-estroma requereix el desplegament previ de la molècula i la col·laboració de complexos proteics específics: Manteniment desplegat: Les xaperones citosòliques s'uneixen al precursor per evitar el seu plegament prematur abans d'arribar a l'orgànul. Complex TOC (membrana externa): El receptor TOC86 reconeix el pèptid senyal N-terminal i el canal proteic TOC75 permet el pas del polipèptid mitjançant la despesa de GTP i l'alliberament de les xaperones citosòliques. Complex TIC (membrana interna): Ubicat en contacte directe amb TOC, condueix la cadena a través de la membrana interna.

Xaperones de l'espai intermembranós i de l'estroma (com Hsc70) estiren la proteïna cap a l'interior consumint ATP. Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 26 Processament proteolític: Ja a l'estroma, el senyal N-terminal és degradat per la proteasa de processament de l'estroma (SPP). La proteïna madura es plega de forma autònoma o amb l'ajuda de xaperonines com Hsc60. COMPROVA-HO 26 Quin paper desenvolupa la proteasa SPP un cop la proteïna travessa el complex TIC? Adreçament de proteïnes cap als tilacoides Les proteïnes destinades a la membrana tilacoidal o a la llum tilacoidal es transloquen en dues etapes.

Presenten un senyal bipartit: un primer senyal N-terminal que les guia fins a l'estroma a través de TOC/TIC i un segon senyal tilacoidal intern que queda exposat quan l'SPP talla el primer.

Segons la conformació requerida i el destí subcompartimental, s'activen quatre rutes diferenciades: PROCÉS Rutes de distribució de proteïnes cap als tilacoides 1 Reconeixement a l'estroma Talla del senyal per SPP i exposició del segon senyal 2 Destí membrana tilacoidal Via SRP-like (GTP) o inserció espontània 3 Destí llum tilacoidal Via Sec (desplegada) o via TAT (plegada) 4 Maduració final al lumen Proteasa luminal talla el segon senyal Ruta Destinació Requisit conformacional Requisits energètics Mecanisme d'acció Via Sec Llum tilacoidal Totalment desplegada ATP i gradient de La ribonucleoproteïna cpSRP reconeix el senyal; la proteïna es manté desplegada amb xaperones i travessa el canal tipus Sec de la membrana.

Via TAT (Twin- Arginine Translocation) Llum tilacoidal Completament plegada Gradient electroquímic de pH Presenta un motiu característic de dues arginines en el senyal. Adreça proteïnes plegades associades a cofactors o ions metàl·lics mitjançant un porus ample sense despesa directa d'ATP. H+ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 27 Ruta Destinació Requisit conformacional Requisits energètics Mecanisme d'acció Via SRP-like Membrana tilacoidal Integració cotranslocacional GTP i gradient de Una proteïna estromal homòloga a SRP s'uneix al senyal intern hidrofòbic i el dirigeix a un receptor acoblat al translocador tilacoidal.

Inserció espontània Membrana tilacoidal Plegament autònom Cap (sense consum de nucleòtids) La cadena s'integra directament a la bicapa lipídica gràcies a la naturalesa termodinàmicament favorable del seu domini transmembrana. En les proteïnes solubles que accedeixen a la llum tilacoidal mitjançant la via Sec o TAT, una proteasa específica resident al lumen elimina el segon pèptid senyal, alliberant la proteïna completament funcional al seu compartiment operatiu. IDEES CLAU Els plastidis formen una família d'orgànuls vegetals amb doble membrana originats a partir d'un proplastid comú indiferenciat.

El cloroplast conté tres membranes (externa, interna i tilacoidal) que delimiten tres compartiments: espai intermembranós, estroma i llum tilacoidal. El gradient electroquímic de protons necessari per a la síntesi d'ATP es troba exclusivament a la membrana tilacoidal, deixant la membrana interna sense potencial. La importació del citosol a l'estroma requereix el canal TOC75 a la membrana externa, el complex TIC a la interna, xaperones dependents d'ATP i la proteasa SPP. L'adreçament a la llum tilacoidal disposa de la via Sec (desplegada, dependent d'ATP i ) i de la via TAT (plegada amb cofactors, dependent de gradient de pH). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 27.

En què es diferencia el contingut funcional de la membrana interna del cloroplast respecte de la membrana interna mitocondrial? 28. Quina particularitat estructural i de requeriment energètic presenta la via TAT per introduir proteïnes a la llum tilacoidal?

H+ H+ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 28 CLOROPLASTS 4 Fotosíntesi i fixació de carboni EN ACABAR SABRÀS Distingir les reaccions dependents de la llum al tilacoide de la fixació estromàtica del carboni Explicar l'esquema Z del transport electrònic lineal i el mecanisme fotofosforilador Calcular els requeriments energètics de síntesi de trioses fosfat al cicle de Calvin Contrastar l'activitat oxigenasa de la RuBisCO amb l'adaptació espacial del cicle C4 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 29 Com aconsegueixen els cloroplasts que el gradient de protons no s'esvaeixi per repulsió elèctrica si la membrana tilacoïdal té una àrea molt reduïda?

Visió global: fotosíntesi versus respiració cel·lular La fotosíntesi permet convertir l'energia electromagnètica procedent de la radiació solar en energia d'enllaç químic continguda en biomolècules orgàniques. Aquest fenomen opera en sentit energètic invers a la respiració cel·lular (vegeu «Mitocondris — Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa»). En la respiració catabòlica, els substrats orgànics rics en electrons cedeixen poder reductor (NADH i ) a una cadena de transport que allibera energia lliure fins a l'acceptor final, l' , el qual es redueix a aigua: En contrast, la fotosíntesi és un procés endergònic anabòlic.

El donador primari d'electrons és una molècula amb molt baixa afinitat electrònica com l' . Els fotons absorbits eleven l'energia d'aquests electrons fins a assolir un potencial reductor elevat que redueix el coenzim a NADPH. De forma paral·lela, el transport d'electrons entre complexos tilacoïdals genera un gradient de protons utilitzat per sintetitzar ATP (vegeu «Cloroplasts — Estructura, plastidis i importació de proteïnes»).

Ambdós compostos químics s'empren posteriorment a l'estroma per reduir el diòxid de carboni inorgànic: FADH 2 O 2 C H O + 6 12 6 6O 2 6CO + 2 6H O 2 H O 2 NADP+ 6CO + 2 6H O 2 C H O + 6 12 6 6O 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 29 Esquema global integrat de les reaccions lumíniques i fosques del cloroplast El procés fotosintètic s'organitza en dues fases físicament i funcionalment separades: Fase fotodependent (lluminosa): localitzada estrictament a la membrana tilacoïdal. Comprèn l'absorció de fotons, la fotòlisi de l'aigua, el bombament de protons cap al lumen tilacoïdal i la síntesi d'ATP i NADPH.

Fase fosca (independent de la llum directa): té lloc a l'estroma del cloroplast mitjançant el cicle de Calvin. Utilitza directament l'ATP i el NADPH generats a la fase lumínica per reduir el fins a trioses fosfat. Els seus enzims claus s'inactiven a la foscor en absència d'intermediaris reduïts.

Paràmetre Respiració cel·lular (mitocondris) Fotosíntesi (cloroplasts) Donador inicial d'electrons Matèria orgànica (NADH, ) (molècula inorgànica de baixa energia) Acceptor electrònic final (es redueix a ) (es redueix a NADPH) Direcció del flux de protons De la matriu cap a l'espai intermembrana De l'estroma cap a la llum del tilacoide (lumen) Destí final del carboni Oxidació a lliure Reducció i assimilació en sucres orgànics COMPROVA-HO 30 Què diferencia essencialment l'aigua de la respiració mitocondrial respecte a l'aigua de la fotosíntesi cloroplàstica?

CO 2 FADH 2 H O 2 O 2 H O 2 NADP+ CO 2 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 30 Captació de radiació: pigments fotosintètics i organització dels fotosistemes La captura de l'energia lumínica depèn dels pigments fotosintètics, principalment les clorofil·les a i b. Aquestes molècules posseeixen una estructura dividida en dos dominis essencials: Un anell de porfirina hidrofílic que conté coordinat un ió de magnesi central ( ). Aquest anell és el responsable d'absorbir els fotons lluminosos i transmetre l'estat d'excitació electrònica. Una cua hidrocarbonada hidrofòbica (fitol) que manté el pigment fortament ancorat a la bicapa lipídica tilacoïdal.

Quan una molècula de clorofil·la absorbeix un fotó incident, un dels seus electrons passa d'un orbital basal a un orbital de major contingut energètic. La relaxació d'aquest estat excitat inestable es pot produir mitjançant tres vies diferents segons l'entorn: A la membrana del tilacoide, els pigments s'agrupen amb proteïnes integrals formant fotosistemes. Cada fotosistema consta de dues zones estructurals ben diferenciades: Complex antena captador de llum (LHC): format per una xarxa perifèrica de 200 a 300 molècules de clorofil·la a, clorofil·la b i proteïnes transmembrana associades. Captura els fotons i condueix l'energia per ressonància successiva cap a l'interior.

Centre de reacció fotoquímic: regió central que conté un parell especial de molècules de clorofil·la a ( al PSII o al PSI). En rebre l'energia de ressonància, aquest parell cedeix directament el seu electró a un acceptor primari d'alta energia. Els dos complexos cooperants difereixen en funció i ubicació: el fotosistema II (PSII) se situa majoritàriament als grana (membranes apilades), mentre que el fotosistema I (PSI) predomina als tilacoides de l'estroma no apilats. COMPROVA-HO 31 Quin mecanisme permet que l'energia capturada per una clorofil·la de l'extrem del complex antena arribi al centre de reacció sense pèrdua d'electrons pel camí?

Mg2+ Dissipació com a calor i fluorescència: l'electró retorna directament a l'estat fonamental alliberant fotons de menor energia i calor. Aquest procés passa quan la clorofil·la es troba aïllada in vitro. 1 Transferència d'energia per ressonància: l'energia d'excitació es transmet d'una molècula a la clorofil·la adjacent sense desplaçament físic de l'electró, mecanisme clau utilitzat in vivo dins les antenes. 2 Separació de càrregues fotoquímica: la clorofil·la excitada transfereix físicament el seu electró d'alta energia cap a una molècula acceptora veïna. Aquest mecanisme fotoquímic és propi dels centres de reacció i inicia la transferència d'electrons.

3 P 680 P 700 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 31 Transport lineal d'electrons i l'esquema Z Diagrama del transport electrònic lineal no cíclic a la membrana tilacoïdal El transport fotodependent lineal o no cíclic requereix la coordinació seriada de tots dos fotosistemes per bombejar protons i reduir el : NADP+ Fotòlisi de l'aigua al fotosistema II: la recepció de dos fotons per l'antena del PSII excita el parell especial . El seu centre catalític associat provoca la fotòlisi d'una molècula d' , alliberant que difon lliurement cap a l'exterior, que queden confinats a la llum del tilacoide i que regeneren el centre de reacció oxidat.

1 P 680 H O 2 O 2 1 2 2H+ 2e Transferència a la plastoquinona (PQ): el parell especial cedeix els d'alta energia a la plastoquinona. Aquesta molècula lipídica mòbil capta simultàniament de l'estroma formant plastoquinol ( ) i difon lateralment per la membrana cap al complex intermediari. 2 2e 2H+ PQH 2 Traspàs al complex citocrom : el complex citocrom rep els electrons del plastoquinol. Durant aquesta oxidació, els protons continguts a la plastoquinona s'alliberen cap al lumen tilacoïdal i, paral·lelament, el complex bombeja protons addicionals a través de la membrana.

3 b -f 6 b -f 6 Intermediació de la plastocianina (PC): una proteïna perifèrica soluble de la cara interna, la plastocianina, recull els electrons del complex citocrom i els condueix pel lumen fins al centre de reacció del fotosistema I. 4 b -f 6 Segona excitació al fotosistema I: la llum incident estimula el centre de reacció del PSI ( ), el qual transfereix els seus electrons excitats cap a molècules acceptores internes. El buit electrònic deixat pel és cobert pels electrons que aporta la plastocianina. 5 P 700 P 700 Reducció final a NADPH: la ferredoxina accepta els electrons d'alta energia provinents del PSI i els lliura a l'enzim ferredoxina- reductasa (FNR).

Aquest enzim catalitza la reducció terminal a l'estroma utilitzant protons estromàtics: 6 NADP+ NADP + + 2e + H + NADPH Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 32 PROCÉS Flux lineal d'electrons a la membrana tilacoïdal En produir una molècula completa de gas , s'han d'extreure de dues molècules d' . Aquesta transferència sencera desplaça un total acumulat d'entre 8 i 10 H+ cap a la llum del tilacoide. Transport cíclic d'electrons i fotofosforilació Quan la demanda cel·lular requereix generar ATP suplementari sense alterar les reserves de poder reductor, determinades espècies vegetals utilitzen el circuit electrònic cíclic.

Els electrons d'alta energia procedents del PSI no són captats per la reductasa, sinó que des de la ferredoxina retornen a la plastoquinona i al complex citocrom , per finalment reintegrar-se al mateix PSI mitjançant la plastocianina. DEFINICIÓ: TRANSPORT CÍCLIC Ruta fotodependent alternativa on els electrons reexcitats al fotosistema I retornen al citocrom sense intervenir el fotosistema II, sense hidròlisi d'aigua ni síntesi de NADPH, dedicada exclusivament a generar gradient de protons per produir ATP. La força promotriu generada per ambdós circuits condueix la síntesi d'ATP mitjançant l'ATP sintasa tipus F ubicada a la membrana tilacoïdal (amb el domini catalític orientat a l'estroma).

A diferència dels mitocondris, calen 4 H+ per sintetitzar 1 ATP. Fotòlisi de l'aigua El PSII oxida H2O i allibera oxigen i protons al lumen 1 Plastoquinona Transporta dos electrons i capta protons des de l'estroma 2 Citocrom b6-f Condueix els electrons i bombeja protons addicionals 3 Plastocianina Proteïna soluble luminal que transfereix electrons cap al PSI 4 Fotosistema I Reexcita els electrons mitjançant l'absorció de fotons 5 NADP+ reductasa Transfereix electrons a través de ferredoxina per generar NADPH 6 O 2 4e H O 2 b -f 6 b -f 6 Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 33 PER RECORDAR-HO Als mitocondris el gradient electroquímic és marcadament elèctric ( dominant).

Al tilacoide, en canvi, la presència de canals que permeten l'entrada de i la sortida de neutralitza el potencial elèctric; per tant, l'energia resideix gairebé íntegrament en el gradient químic de concentració (delta pH o gradient químic pur). COMPROVA-HO 32 Quines són les tres conseqüències funcionals que diferencien el transport cíclic del transport lineal? Cicle de Calvin: fixació estromàtica del carboni i destí del G3P La fase fosca transcorre a l'estroma i depèn de l'enzim més abundant de la biosfera, la RuBisCO (ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa/oxigenasa). Té una velocitat catalítica extremadament lenta, fet que obliga a les cèl·lules a sintetitzar-ne quantitats ingents.

Esquema de la reacció de carboxilació catalitzada per l'enzim RuBisCO A la reacció de carboxilació inicial de la via C3, la RuBisCO uneix una molècula de inorgànic (1C) a la ribulosa 1,5-bisfosfat (5C). Es genera transitòriament un intermediari de 6 carbonis que s'escindeix immediatament produint dues molècules de 3-fosfoglicerat (3C cadascuna). A partir del consum d'ATP i NADPH, el 3-fosfoglicerat es redueix fins a gliceraldehid-3-fosfat (G3P). Per cada tres molècules de que ingressen al cicle, es generen 6 molècules de G3P gràcies al consum net de 9 molècules d'ATP i 6 de NADPH.

D'aquestes 6 trioses, exactament 5 es destinen a regenerar tres molècules de ribulosa 1,5-bisfosfat, i l'única molècula restant de G3P constitueix el guany net de matèria orgànica assimilada: La triosa fosfat que surt del cicle té dues vies principals de destí: ΔΨ Cl Mg2+ CO 2 CO 2 3CO + 2 9ATP + 6NADPH 1 G3P + 9ADP + 8P + i 6NADP+ Apunts de Biologia Cel·lular: 2n Parcial Complet 34 ERROR FREQÜENT Confondre el destí de les 6 molècules de G3P produïdes al cicle de Calvin. No s'exporten totes sis: cinc d'elles s'han de reciclar forçosament per regenerar les ribuloses 1,5-bisfosfat consumides; només una de cada sis molècules representa un rendiment net d'assimilació per a la cèl·lula.

Fotorespiració i adaptació anatòmica de les plantes C4 La RuBisCO presenta un defecte catalític intrínsec: manca d'especificitat absoluta de substrat. Quan la concentració relativa d' supera la de , l'enzim actua com a oxigenasa. Aquesta reacció genera una molècula de 3-fosfoglicerat (que va al cicle de Calvin) i una molècula de fosfoglicolat (compost de 2C inútil per a la síntesi glucídica directa). El fosfoglicolat és altament tòxic i s'ha de reciclar mitjançant la fotorespiració, una ruta multicompartimental coordinada entre el cloroplast, el peroxisoma (vegeu «Peroxisomes — Estructura, biogènesi i rutes metabòliques») i el mitocondri.

La conversió de dues molècules de fosfoglicolat en una de fosfoglicerat allibera prèviament fixat i comporta una forta despesa suplementària d'ATP, sent un procés altament ineficient.…