Seminario 9 BC Metabolismo Celular Mitocondrias y peroxisomas

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SEMINARIO 9
BIOLOGÍA CELULAR Y 
MOLECULAR 
2020
PROCESOS METABÓLICOS 
CELULARES
MITOCONDRIAS Y 
PEROXISOMAS
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OBJETIVOS GENERALES
COMPRENDER E INTEGRAR LOS DIFERENTES PROCESOS BIOQUÍMICOS QUE
OCURREN DENTRO DEL ORGANISMO PARA METABOLIZAR LAS PRINCIPALES
BIOMOLÉCULAS RELACIONÁNDOLOS CON LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y CON
LOS COMPONENTES CELULARES QUE PARTICIPAN EN DICHOS PROCESOS.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• DIFERENCIAR LAS RUTAS METABÓLICAS DE CARBOHIDRATOS (GLÚSIDOS), LÍPIDOS Y PROTEÍNAS.
• CONOCER EL CONSUMO Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DE ACUERDO A LA SÍNTESIS Y
DEGRADACIÓN DE LAS PRINCIPALES BIOMOLÉCULAS.
• ASOCIAR LAS DIFERENTES RUTAS METABÓLICAS QUE OCURREN DENTRO DE LA CÉLULA PARA EL
ENTENDIMIENTO DEL ACOPLAMIENTO ENERGÉTICO Y METABÓLICO.
• CONOCER LA ESTRUCTURA, CICLOS VITALES Y FUNCIONES DE LAS MITOCONDRIAS Y
PEROXISOMAS.
• CONOCER LOS FUNDAMENTOS Y UTILIDADES DEL FRACCIONAMIENTO SUBMITOCONDRIAL.
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CONTENIDOS
•CONCEPTO DE ENERGÍA: ENERGÍA METABÓLICA, ENERGÍA 
LIBRE DE GIBBS, ENTROPÍA, ENTALPÍA, PRODUCCIÓN DE ATP.
•METABOLISMO DE LOS GLÚSIDOS: GLICÓLISIS Y CICLO DE 
KREBS. 
•METABOLISMO DE LÍPIDOS : BETA OXIDACIÓN.
•METABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS.
•TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.
•MITOCONDRIA Y PEROXISOMA: ESTRUCTURA, FUNCIONES, 
CICLO VITAL, TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA.
•FRACCIONAMIENTO SUBMITOCONDRIAL.
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ENERGÍA METABÓLICA
•La energía metabólica es la energía que
obtienen todos los seres vivos a partir de la
energía química contenida en los alimentos o
nutrientes.
•Los organismos transforman la energía
química contenida en los enlaces químicos de
los alimentos en energía útil para la célula.
I. METABOLISMO
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Reacción Química
Las enzimas controlan la velocidad
de las reacciones químicas.
Las leyes de la termodinámica
gobiernan el equilibrio químico y
determinan la dirección
energéticamente favorable en todas
las reacciones químicas.
Todas las reacciones químicas progresan espontáneamente en la dirección
energéticamente favorable acompañadas de un descenso de la energía libre de
Gibbs y de un aumento de la Entropía.
Muchas de las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula son
energéticamente desfavorables y sólo pueden producirse con un ingreso
adicional de energía.
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•Energía libre de Gibbs: permite predecir la
dirección en forma espontánea de las
reacciones químicas . El valor de la energía
libre depende de la Entropia y de la Entalpía.
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• Todas las 
células animales 
dependen de 
energía para crear
y mantener el 
orden 
ENTROPÍA: Magnitud termodinámica que mide el grado de desorden
molecular de un sistema. Los procesos espontáneos ocurren cuando hay
aumento de Entropía, mayor desorden.
ENTALPÍA: Es el calor que se libra o se absorbe durante una reacción 
química 
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Las enzimas bajan la energía de activación 
de las reacciones químicas 
• Las enzimas (catalizadores biológicos) facilitan el
inicio de las reacciones químicas y permiten que
ocurran a temperaturas y tiempos compatibles con
la vida
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• La energía se almacena en la naturaleza en los
enlaces químicos de las moléculas orgánicas
• Las moléculas orgánicas proveen también los átomos
para “armar” moléculas – ejemplo del N2
• Todos los animales dependen –al final- de la fijación
del C, N2 y de la energía solar por parte de las
plantas (en la fotosíntesis)
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• Los animales se alimentan de plantas o de otros
animales para obtener los “building blocks” para sus
propias moléculas
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Las células obtienen energía oxidando 
moléculas orgánicas 
• La oxidación es controlada, en pasos secuenciales,
que permiten recuperar la mayor parte de la
“energía” contenida en los enlaces químicos
(diferencia con fuego).
• La oxidación implica la pérdida de electrones de las
moléculas orgánicas. En las células, estos electrones
son transferidos a otras moléculas llamadas carriers.
• El estadío final de más baja energía (no puede
entregar más) es CO2 para el carbono y H2O para el
hidrógeno.
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Los carriers de alta energía
• La energía liberada en la oxidación de las moléculas orgánicas 
(alimento) se almacena temporariamente en moléculas 
especializadas.
• Estos carriers de alta energía contienen enlaces covalentes de
alta energía y pueden migrar rápidamente de un lugar a otro
de la célula.
• Los carriers estabilizan los electrones “quitados” al alimento y
permiten su utilización en otras reacciones celulares.
• Ejemplos: ATP, NADPH, NADH, Acetyl-CoA.
ATP es el carrier de alta energía más 
utilizado y versátil
• El ATP (adenosin trifosfato) se sintetiza 
por la adición de fosfato al ADP
• Cuando se requiere, el ATP devuelve
esa energía dando como productos ADP
y fosfato, que se pueden reutilizar en
otra ronda de fosforilación
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Hay diferentes tipos de carriers de alta 
energía en la célula
La energía se utiliza en la célula para
reacciones energéticamente desfavorables
como la síntesis de largas moléculas
ordenadas
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NADPH y NADH son carriers de alta 
energía para electrones
ATP es el carrier de alta 
energía más utilizado y 
versátil
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¿Cómo las células obtienen energía 
de los alimentos?
En este esquema el tamaño de la mitocondria no 
guarda relación espacial real con la superficie que 
representa al citosol
Vamos a ir 
analizando el 
esquema que 
representa 
varios conceptos 
importantes
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¿Cómo las células obtienen energía 
de los alimentos?
En este esquema el tamaño de la mitocondria no 
guarda relación espacial real con la superficie que 
representa al citosol
1) Hay que recordar qué 
biomoléculas son macromoléculas 
o polímeros y cuáles sus 
monómeros 
Biomoléculas:
Monómeros: Polímeros: 
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¿Cómo las células obtienen energía 
de los alimentos?
En este esquema el tamaño de la mitocondria no 
guarda relación espacial real con la superficie que 
representa al citosol
2) En el catabolismo de los 
monómeros se llega a una 
molécula común transportadora 
de energía activada: Acetil COA 
(UBICADA EN LA MATRIZ 
MITOCONDRIAL)
Sin embargo podemos además 
observar que en el caso de la 
GLUCOSA , antes (durante la 
formación del Piruvato) se 
producen dos moléculas 
transportadoras activadas: ATP y 
NADH
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¿Cómo las células obtienen energía 
de los alimentos?
En este esquema el tamaño de la mitocondria no 
guarda relación espacial real con la superficie que 
representa al citosol
3) Observemos que hay un gran 
proceso cíclico (serie de 
reacciones concatenadas y 
sucesivas) de degradación 
oxidativa que generan la mayor 
proporción de moléculas 
transportadoras activadas: 
principalmente NADH, pero 
también se forma FADH2
Recuerdan qué es un 
proceso de oxidación?
La oxidación es 
una reacción 
química donde un 
elemento 
pierde electrones, en este 
caso los electrones 
perdidos son transferidos 
a las moléculas 
transportadoras activadas
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¿Cómo las células obtienen 
energía de los alimentos?
En este esquema el tamaño de la mitocondria no 
guarda relación espacial real con la superficie que 
representa al citosol
4) Los electrones de las moléculas 
transportadoras de energía son 
transferidas a través de complejos 
multiproteicos que conforman la 
cadena transportadora de electrones o 
cadena respiratoria (MEMBRANA 
MITOCONDRIAL INTERNA), los 
protones (H+) se concentran en el 
espacio intermembrana y la 
transferencia de electrones impulsa la 
formación de ATP ¿Cómo?
Importante repasar qué características 
tiene la membrana mitocondrial 
interna respecto a la permeabilidad a 
H+ (es impermeable, genera diferencia 
de pH; los H+ pueden ingresar-
moverse a través de la subunidad F0 y 
la rotación-movimiento de la 
subunidad F1 favorece la síntesis ATP), 
las crestas expanden la superficie de 
membrana aumentando la capacidad 
de generar ATP. 
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II. MITOCONDRIAS
Y 
III. PEROXISOMAS
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Organelas de importancia en el 
Metabolismo Oxidativo
Mitocondrias
Estructura
(TES)
Funciones
(Procesos)
Peroxisomas
Características 
y funciones
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LA MITOCONDRIAOrganización general
membrana 
externamembrana interna
crestas
matriz
Microscopía electrónica de una mitocondria de célula hepática
espacio 
intermembrana
ULTRAESTRUCTURA
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1. TEORÍA 
ENDOSIMBIÓTICA
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A nivel de Membranas:
Doble membrana.
Homología Mesosomas-Crestas.
EVIDENCIAS DE LA TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA
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EVIDENCIAS DE LA TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA
ADN nuclear ADN
AGA Arginina Terminación
AGG Arginina Terminación
AUA Isoleucina Metionina
UGA Terminación Triptofano
A nivel del ADN
Código Genético
ADN MITOCONDRIAL 
CIRCULAR Y DESNUDO
TASA DE MUTACIÓN 10 VECES MAYOR QUE EL 
ADN NUCLEAR.
MECANISMOS DE REPARACIÓN DEL ADN 
ausentes o menos desarrollados EN LAS 
MITOCONDRIAS.
Humana 16kb ; codifica 13 proteínas que 
participan en transporte de electrones y 
fosforilacion oxidativa el resto de las 
proteínas son importadas desde citosol 
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A nivel Ribosómico:
-Presencia de ribosomas con 
menor S. 
-Inhibición de síntesis proteica 
por cloranfenicol
EVIDENCIAS DE LA TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA
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Inhibidores con selectividad por Procariotas o la mitocondria
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Mecanismo de división
La regulación-coordinación de las múltiples mitocondrias de una misma 
célula para la realización de estas funciones parece estar relacionada 
con la dinámica mitocondrial de fusión-fisión.
Las mitoncondrias constantemente están realizando fusión y 
fision entre ellas de acuerdo a los requerimiento celulares.
EVIDENCIAS DE LA TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA
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EVIDENCIAS de TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA
A nivel de ADN
•1. ADN circular y desnudo.
•2. El ADN no está rodeado por una envoltura.
•3. Excepciones al código genético universal.
•4. Tasa de mutación diez veces mayor que el ADN nuclear.
•5. Mecanismos de reparación del ADN ausentes o menos desarrollados EN LAS 
MITOCONDRIAS.
A nivel de las Membranas
•6. Características de las membranas. Doble membrana.
•7. Homología Mesosomas-crestas.
A nivel Ribosómico:
•8. Presencia de ribosomas con menor S.
•9. Inhibición de síntesis proteica por cloranfenicol.
A nivel del ciclo de vida:
•8. Mecanismo de división. Fusión y Fisión. 
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3. MITOCONDRIAS: 
ESTRUCTURA Y CICLO VITAL 
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Membrana externa : 
Permeable a solutos del citosol
Presencia de Porinas : 
proteínas que forman poros 
que dejan pasar moléculas de 
hasta 5000 Daltons. Ácidos 
grasos. ADN. ARNs. 
Ribosomas.
Membrana interna:
Presencia de Cardiolipina ( hace impermeable la membrana)
Proteínas transportadoras de iones, proteínas de fosforilación oxidativa y cadena respiratoria 
Matriz Mitocondrial 
Complejo piruvatodeshidrogenasa (Decarboxilación oxidativa)
Enzimas del ciclo de Krebs ( Salvo la succunatodeshidrogenasa )
Enzimas de la beta oxidación ácidos grasos. ADN. ARNs. Ribosomas.
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Respuestas frente al daño del ADN 
mitocondrial
34
Visión global de los procesos de expresión génica en Eucariotas
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Direccionamiento, vías de internalización de proteínas en la mitocondria.
Proteínas de matriz mitocondrial. Transporte de
proteínas de codificación nuclear hacia la mitocondria por
medio de chaperonas que mantienen su estructura no
plegada. Presentación a los translocadores mitocondriales
externos e internos para pasar hacia la matriz donde
chaperonas mitocondriales pliegan la estructura terciaria.
Proteínas transmembrana.
Mediante sus regiones hidrofóbicas
pueden translocarse a los lípidos de las
membranas externas e internas y participar
en funciones mitocondriales
Proteínas del espacio intermembrana.
Pueden ser translocadas al espacio
intermembrana luego de pasar por TOM
o reingresar luego de ser plegadas en la
matriz mitocondrial
Refiere a seminario 7 de direccionamiento de proteínas en la célula
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MITOCONDRIAS: DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO
La misma célula fijada y marcada con 
anticuerpos anti-tubulina, unidos a un 
fluoróforo
Las mitocondrias teñidas con un 
marcador fluorescente suelen estar 
asociadas a elementos del citoesqueleto
Microscopía electrónica de 
diferentes células para 
observar su distribución y 
localización según las 
demandas energéticas de 
la célula.
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Dinámica mitocondrial y relación con sus funciones
La regulación-coordinación de las múltiples mitocondrias de una misma célula para la 
realización de sus funciones parece estar relacionada con la dinámica mitocondrial de 
fusión-fisión.
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Moléculas participantes en los procesos de fusión-
fisión mitocondrial (diapo optativa)
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Herencia mitocondrial: ??
Recordando Fecundación
Se reconstituye la diploidía.
Ambas gametas aportan sus 
pronúcleos haploides al 
cigoto (factor nuclear). 
El ovocito aporta el factor 
citoplasmático
(mitocondrias)
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4. Las mitocondrias pueden aislarse 
mediante fraccionamientos subcelulares 
clásicos
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Fraccionamiento 
sub-mitocondrial
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5. FUNCIONES MITOCONDRIALES:
1.ENERGÉTICA. SINTESIS DE ATP.
2.PARTICIPACION EN LA ESTEROIDOGÉNESIS.
3.ALMACENAMIENTO DE CALCIO.
4.SINTESIS DE ALGUNOS AMINOACIDOS.
5.PARTICIPACIÓN EN LA APOPTOSIS.
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5.1.METABOLISMO CELULAR y SÍNTESIS DE ATP
Catabolismo de los hidratos de carbono.
1-Glucólisis
3-Ciclo de Krebs (ciclo del ácido 
citrico)
4-Cadena de transporte de 
electrones y fosforilación 
oxidativa
Ocurren en las 
mitocondrias
Glucosa a piruvato (en el citoplasma )
2-Decarboxilación oxidativa. 
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La glucólisis
6 carbonos
2 compuestos 
de
3 carbonos
Los piruvatos 
entran 
a las mitocondrias 
Ocurre en el 
citoplasma
Resultado de la 
glucólisis: 
2 NADH
2 ATP 
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2 e-
H+
NAD+
(forma oxidada)
NADH
(forma reducida)
Las coenzimas participan como aceptores
temporarios de electrones e-
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Descarboxilación del piruvato y
formación de acetil-CoA
piruvat
o
Acetil-Co A
co
2
NAD NADH
Decarboxilación 
oxidativa
.
Complejo 
multienzimático que 
actúa: 
Piruvatodeshidrogenasa
El acetil CoA entra en el ciclo de Krebs
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Ciclo de Krebs
Por cada vuelta del 
ciclo se obtienen.
2 CO2
1 ATP
3 NADH
1FADH
succinato
Fumarato
*
*succinatodeshidrogenasa
en la membrana interna
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Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde NADH
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Cadena de transporte de electrones
50
Fosforilación oxidativa
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A) Síntesis de ATP y B) Bombeo de protones contra un gradiente de 
protones con hidrólisis de ATP
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Las grasas pasan a ácidos grasos en el tubo digestivo 
Los ácidos grasos entran en la célula y las mitocondrias y se 
degradan por β-oxidación en la matriz mitocondrial 
CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
Catabolismo de los ácidos grasos: β-oxidación
Antes que las proteínas puedan incorporarse a las rutas
catabólicas deben experimentar hidrólisis completa
hasta transformarse en aminoácidos ya que las
moléculas proteicas intactas y la mayoría de los péptidos
no pueden atravesar la membrana celular, mientras que
los aminoácidos libres son absorbidos fácilmente
Metabolismo de las Proteínas
Para la oxidación de los 20 aminoácidos diferentes existen
20 secuencias multienzimáticas distintas. En último término
todas convergen en unas pocas rutas terminales que
conducen al ciclo de los ácidos tricarboxílicos
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RESUMEN METABOLISMO LÍPIDOS, POLISACÁRIDOS Y
PROTEINAS
La energía es medida en
kilocalorías o kcal.
Cantidad de energía que aporta 1
g es distinta en cada caso:
4 kcal por gramo de hidratos
de carbono o proteína
9 kcal por gramo de grasa
Rapidez con que proporcionan
la energía.: los hidratos de
carbono son los más rápidos y
las grasas son las más lentas
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5.2. Mitocondria y la Esteroidogénesis
Participa en el pasaje de colesterol a pregnenolona y 
en la última etapa de la síntesis de hormonas 
esteroides.
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Mitocondria y la esteroidogénesis
Participa en el 
pasaje de 
colesterol a 
pregnenolona y 
en la última 
etapa de la 
síntesis de 
hormonas 
esteroides.
5.3. MITOCONDRIA Y ALMACENAMIENTO DE CALCIO
La mitocondria juega un papel
fundamental en la homeostasis de
calcio.
El calcio (Ca2+) es un catión muy
importante en los organismos actúa
comosegundo mensajero en diversas
cascadas de señalización y media
muchas funciones dentro de las células
La acumulación de Ca2+ en la mitocondria se ve 
contrarrestada por los intercambiadores mitocondriales 
Na+ /Ca2+ (mNCX) y H+ /Ca2+
Por otro lado, el incremento en la [Ca2+]mit junto con la acumulación de
especies reactivas de oxígeno (ROS) favorecen la liberación al citosol de
factores mitocondriales, como el citocromo c o el factor inductor de
apoptosis (AIF), que forman con las caspasas efectoras una maquinaria
macromolecular (apoptosoma) que lleva a las células a la muerte celular
apoptótica
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5.4. PARTICIPACION DE LA MITOCONDRIA EN LA MUERTE 
CELULAR PROGRAMADA O APOPTOSIS
La mitocondria participa mediante la 
liberación de citocromo C del espacio 
intermembranoso y de la 
Proteína SMAC/diablo. 
La primera forma estabiliza el 
apoptosoma que estimula el pasaje de 
procaspasa 3 a caspasa 3.
Muerte celular programada donde la 
célula forma cuerpos apoptóticos
envueltos en membrana (globos) 
sin liberación de contenido al 
extracelular ni activación de 
respuestas inflamatorias
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PARTICIPACION DE LA MITOCONDRIA EN LA MUERTE CELULAR 
PROGRAMADA O APOPTOSIS
La segunda a través 
de la proteína 
Smac/Diabolo inhibe 
a la proteína IAP
(Proteína Inhibitoria 
de la Apoptosis) 
reduciendo la 
capacidad de inhibir 
la apoptosis.
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6. Organos más afectados en disfunciones mitondriales y/o en 
alteraciones de procesos de fision-fusion
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III. Los peroxisomas
 Poseen enzimas (D-aminoácido oxidasa, urato oxidasa) que 
oxidan distintos sustratos, produciendo peróxido de hidrógeno 
(H2O2) como subproducto. Además, poseen la enzima catalasa que 
degrada el H2O2
 Son sitios en donde ocurre β-oxidación
 En los peroxisomas animales ocurren las primeras reacciones que 
conducen a la formación de los plasmalógenos (fosfolípidos 
presentes en la mielina).
 Las enzimas peroxisomales provienen del citosol y sus membranas 
del REL.
65
Peroxisomas
Microscopía electrónica de 
peroxisomas en una célula 
hepática. Las formaciones 
electrodensas corresponden a la 
enzima urato oxidasa
Crecimiento y división de los 
peroxisomas.
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Oxidación de ácidos grasos en los peroxisomas y rol de la 
catalasa.
Estructura de un plasmalógeno.