I mitocondri sono gli organuli
responsabili della produzione
di energia necessaria alla
cellula per crescere e
riprodursi. Queste reazioni,
che nel loro insieme
costituiscono il processo di
"respirazione cellulare",
comportano il consumo di
ossigeno e la produzione di
anidride carbonica.
Infatti il glucosio viene
bruciato in presenza di
ossigeno e l'energia liberata,
immagazzinata sotto forma di
ATP
Organuli di forma
bastoncellare.
O.5 - 1 μm di spessore
Fino a 10 μm di lunghezza.
Elevato numero per cellula.
La struttura base
dei mitocondri
“animali” e
“vegetali” e’
simile con
una matrice
interna,
una membrana
interna,
uno spazio
intermembrana e
una membrana
esterna.
Distribuzione dei
Mitocondri
Tutte le cellule hanno mitocondri.
 La maggior parte dei mitocondri è
localizzata nella porzione della cellula
che ha maggior richiesta energetica.
 Meno abbondanti in quelle cellule che
lavorano in condizioni anaerobiche.
OGGI SAPPIAMO CHE IL MITOCONDRIO è
DELIMITATO DA DUE MEMBRANE ALTAMENTE
SPECIALIZZATE CHE HANNO FUNZIONI DIVERSE E
CHE INSIEME CREANO DUE COMPARTIMENTI
MITOCONDRAILI SEPARATI:
Doppia membrana:
– Membrana esterna Liscia
– Membrana interna ripiegata:
Creste mitocondriali
MEMBRANA ESTERNA :
ha funzioni protettive, essa conferisce resistenza
all’organello. Risulta caratterizzata dalla presenza di una
grossa proteina che forma canali (detta porina),che la rende
permeabile alle molecole di dimensioni inferiori ai 5000
dalton.
SPAZIO
INTERMEMBRANA:
detto spazio bianco che
risulta essere chimicamente
equivalente al citosol, per
quel che riguarda le piccole
molecole che contiene.
LA MEMBRANA INTERNA:
ha proprietà di permeabiltà selettiva, grazie alla presenza
di specifici trasportatori, si invagina a formare dei
ripiegamenti di forma tubulare detti “creste”.
Queste introflessioni sono strettamente legate alla funzione
del mitocondrio, in quanto la membrana interna ospita i
complessi respiratori di trasporti di elettroni,i
traslocatori di metaboliti e l’ATP sintasi. Le creste inoltre
facilitano un intimo contatto con la:
MATRICE:
in essa sono presenti gli
enzimi per l’ossidazione
del piruvato e quelli
per il ciclo dell’acido
citrico. Inoltre contiene
diverse copie di DNA
mitocondriale, ribosomi e
tRNA mitocondriali .
Le creste differiscono in
lunghezza,forma e numero, a
seconda delle richieste
energetiche della cellula.
Cellule normali:creste
si allungano per metà
della matrice.
Le creste sono
presenti in numero
elevato in
corrispondenza di una
elevata richiesta
energetica.
Ad esempio nelle
cellule muscolari le
creste attraversano
tutta la matrice e si
presentano
impacchettate molto
strette.
Mitocondri “Classici”Creste
a ripiani.
Metà della matrice.
Mitocondri Attivi
Creste a ripiani
strettamente impilate
Attraverso tutta la
matrice
Le membrane mitocondriali sono composte principalmente da
proteine, lipidi in misura minore.
Le proteine mitocondriali sono costantemente rinnovate.
Membrana esterna
Ricca di proteine
Multipasso,dette
Porine.
Ricordano le
proteine
delle membrane
batteriche.
Teoria del
simbionte.
Membrana interna
Proteine dei complessi respiratori
I mitocondri sono stati essenziali per
l’evoluzione degli organismi eucarioti.
Senza di essi gli organismi superiori
sarebbero dipendenti dalla glicolisi
anaerobia per tutto il loro ATP.
NEI MITOCONDRI IL METABOLISMO DEGLI ZUCCHERI
è COMPLETATO : IL PIRUVATO,
E’ IMPORTATO
NEL MITOCONDRIO E OSSIDATO COMPLETAMENTE DA
O2 a CO2 e H2O.
QUESTO COMPORTA UNA RESA ENERGETICA
NOTEVOLMENTE SUPERIORE RISPETTO ALLA SOLA
GLICOLISI.
Fasi in cui in cui si
puo’suddividere la
respirazione:
1. Glicolisi
2. Ciclo degli acidi
tricarbossilici
3. Catena di trasporto degli
elettroni mitocondriale
La respirazione e’ un processo multistep, in cui il
glucosio viene completamente ossidato a
CO2 e H2O …
con concomitante produzione di ATP .
3atomi di C
Alla fine del ciclo
si riottiene
l’ossalacetato che
puo’ rientrare nel
ciclo .
2atomi di C
Viene legato
all’ossalacetato 4C dando:
Il citrato va incontro
ad una serie
progressiva di
ossidazioni
Le molecole
combustibili sono
trasportate
attraverso la
membrana
mitocondriale
interna nella
MATRICE, dove sono
poi convertite
nell’intermedio
metabolico
cruciale
l’ACETIL CoA.
Questo entra
quindi nel ciclo
di Krebs,dove gli
atomi di carbonio
dell’acetil CoA
vengono convertiti
in CO2 che è poi
rilasciato dalla
cellula come
prodotto di
rifiuto.
Ma la cosa più
importante è che il
ciclo genera elettroni
ad alta energia, portati
dalle molecole
trasportatrici attivate
“NADH e FADH2“.
QUESTI ELETTRONI SONO
POI TRASFERITI
DALLA MATRICE->
ALLA MEMBRANA INTERNA,
dove entrano nella
catena di trasporto
degli elettroni.
La respirazione cellulare
si svolge nei mitocondri delle cellule eucariotiche
o nel periplasma dei batteri; in questa reazione si
ossidano i composti del carbonio producendo
anidride carbonica e acqua e
contemporaneamente si genera energia.
Nel corso delle reazioni di ossidoriduzione
biologiche gli elettroni non sono lasciati liberi nel
solvente, ma vengono trasferiti a coenzimi, quali il
NAD+ (Nicotinamide Adenina Dinucleotide) o il
FAD (Flavin Adenina Dinucleotide), definiti
appunto trasportatori intermedi di elettroni, che
portano gli elettroni alla catena respiratoria
mitocondriale.
Il bilancio ossidoriduttivo nelle cellule può essere
valutato appunto dal rapporto tra NAD+ (forma
ossidata) NADH (forma ridotta).
Questo valore controlla la interconversione delle
molecole organiche presenti nella cellula e può
essere alterato in molte situazioni patologiche,
come ad esempio ipossia (scarsità di ossigeno),
shock o sepsi.
Teoria chemiosmotica
Il NAD+ e il FAD trasportano gli elettroni ai complessi proteici situati sulla
membrana interna dei mitocondri, che nel loro insieme formano la
catena respiratoria.
L’ordine con cui i complessi della catena respiratoria accettano gli elettroni non è
casuale, ma segue il loro potenziale di ossidoriduzione, dal più negativo
(complesso I) al più positivo (complesso IV) fino all’ossigeno molecolare che è
l’accettore ultimo.
In alcune tappe del trasferimento elettronico l’energia libera prodotta è sufficiente
per trasportare protoni (H+) dalla matrice mitocondriale allo spazio
intermembrana.
Si origina così un gradiente elettrochimico di protoni; l’energia potenziale
contenuta nel gradiente protonico viene sfruttata per compiere un lavoro
biologico, e cioè la sintesi di ATP .
L’accoppiamento tra il trasporto degli elettroni, il trasporto dei protoni e la sintesi
di ATP è appunto alla base della teoria chemiosmotica (1961) formulata da
Peter Mitchell (Premio Nobel nel 1978).
Sulla membrana interna del mitocondrio si trovano particolari molecole, capaci
di accettare e donare elettroni e perciò dette trasportatori (citocromi,
flavoproteine e coenzima Q).
A queste il NADH e il FADH2, derivanti dal ciclo di Krebs, cedono i propri
elettroni, convertendosi nella forma ossidata e potendo quindi essere riutilizzati
in un nuovo ciclo.
Il trasferimento di elettroni che si attiva lungo i trasportatori è un processo che
libera energia, ed è responsabile della trasformazione dell'O2 (l'accettore finale
degli elettroni, proveniente dalla respirazione) ad acqua, e della alta resa
energetica della respirazione cellulare, in termini di sintesi di molecole di ATP.
Questa energia, infatti consente il pompaggio di ioni
idrogeno H+ dalla matrice verso lo spazio tra le due
membrane mitocondriali, e l'aumento della loro
concentrazione in questa sede.
Per il fenomeno della chemiosmosi, questi ritornano verso
la matrice passando attraverso speciali canali proteici, detti
ATP-sintetasi; tale flusso di ioni mette a disposizione
energia per la sintesi di ATP.
Catena di trasporto degli elettroni
Catalizza un flusso di
elettroni dal NADH
(FADH2) all’O2
(accettore finale degli
elettroni nel processo
respiratorio)
Consiste di un gruppo
di proteine
trasportatrici di
elettroni legate alla
membrana interna
mitocondriale.
La perdita degli elettroni da parte di NADH e FADH2
rigenera
anche NAD+ e FAD, che sono necessari per un metabolismo
ossidativo continuo. Gli elettroni vengono trasferiti lungo la
catena di trasporto degli elettroni, fino ad arrivare
all’accettore finale: O2.
Il complesso I accetta elettroni da NADH
e li trasferisce
all’ubichinone che a sua volta li trasferisce al complesso dei
citocromi b-c1 (complesso III).
Il complesso accetta elettroni dall’ubichinone e li passa
al citocromo c, che trasporta il suo elettrone al
complesso della citocromo ossidasi (complesso IV). Questo
accetta un elettrone alla volta dal citocromo c e ne passa
4 alla volta dell’O2. Infatti occorrono 4 elettroni alla
molecola di O2 per produrre acqua. Durante il
trasferimento di elettroni l’ubichinone e il citocromo c
servono da trasportatori mobili che portano gli elettroni
da un complesso al successivo.
Il trasferimento di elettroni è accoppiato al
rilascio orientato di H+ attraverso la membrana
interna.
I protoni sono pompati attraverso la membrana da
ciascun complesso enzimatico respiratorio.
Questo movimento di protoni ha due conseguenze principali:
1) genera un gradiente di pH attraverso la membrana
mitocondriale interna, con il pH più alto nella matrice
rispetto al citosol;
2)genera un gradiente di voltaggio attraverso la membrana
interna, con l’interno negativo e l’esterno positivo.
Il gradiente di pH e quello di voltaggio, insieme,
costituiscono il GRADIENTE PROTONICO ELETTROCHIMICO.
Questo gradiente viene usato per spingere la sintesi di
ATP nel processo cruciale della fosforilazione
ossidativa. Ciò è reso possibile dall’enzima
ATP SINTASI.
ATP SINTASI
L’enzima è composto da una
porzione di testa, chiamata
F1, e un trasportatore
transmembrana di protoni,
chiamato F0.
Sia F1 che F0 sono formati da
subunità multiple
Questo enzima crea una via
idrofilica attraverso la
membrana interna che permette
ai protoni di scorrere lungo
il loro gradiente
elettrochimico.
Non appena questi ioni passano
attraverso l’ATP sintasi,
vengono usati per spingere la
reazione energeticamente
sfavorevole fra ADP E Pi che
produce ATP.
In assenza di
mitocondri molti
L’ATP è un composto chimico che può
organismi
cedere energia e viene quindi utilizzata
eucarioti non
dalla cellula come "Gettone energetico"
sarebbero in
in tutte le reazioni cellulari.
grado di
utilizzare
Diversamente dagli organismi aerobi,
che non possono vivere in assenza di
ossigeno, gli organismi anaerobi
prosperano anche, o solo, in assenza
di questo gas e le loro cellule sono
prive di mitocondri.
l'ossigeno per
ricavare dagli
alimenti tutta
l'energia
necessaria alle
loro funzioni
vitali.
NEL CITOSOL(glicolisi):
1glucosio
2piruvato+ 2 NADH +2 ATP
NEL MITOCONDRIO
(piruvato deidr.e ciclo dell’a.citrico):
2piruvato
2 acetil CoA+ 2NADH
2acetil Coa
TOT:
glicolisi + CICLO Krebs
6 NADH + 2 FADH2 +2 GTP
10NADH + 2 FADH2 + 2GTP*
*Il guanosintrifosfato è coinvolto nel trasferimento di energia entro la cellula: per ogni
ripetizione del ciclo di Krebs, infatti, viene generata una molecola di GTP, equivalente alla
formazione di una molecola di ATP, poiché il GTP viene subito convertito in ATP.
I MITOCONDRI HANNO UN
PROPRIO DNA DI FORMA
CIRCOLARE E RIBOSOMI
DI PICCOLE DIMENSIONI.
IN REALTA’ IL SUO
GENOMA E’ MOLTO
PICCOLO.
I mitocondri sono dotati di
un proprio DNA (mtDNA).
L’mtDNA è estremamente
piccolo, ha struttura
circolare, e contiene
solamente 37 geni: 13 geni
che codificano alcune delle
subunità proteiche dei
complessi della catena
respiratoria
e 24 geni che codificano molecole indispensabili alla sintesi di tali subunità
(2 RNA ribosomali, rRNA e 22 RNA transfer, tRNA).
Durante la fecondazione, i mitocondri presenti nel nuovo
individuo (zigote) provengono solo dalla cellula uovo (oocita).
Una madre portatrice di
una mutazione del mtDNA trasmetterà
tale mutazione a tutti i propri
figli, ma solo le figlie
trasmetteranno a loro volta la
mutazione alla loro progenie
(eredità matrilineare).
Mutazioni deleterie del mtDNA generalmente colpiscono
solo alcuni genomi mitocondriali; perciò, all’interno di
ogni cellula e, conseguentemente, in ogni tessuto sono
presenti due popolazioni miste di mtDNA: una normale ed
una mutata (eteroplasmia).
Al contrario dei geni nucleari che sono presenti
nell’uomo in duplice copia (allele materno ed allele
paterno), vi sono centinaia di molecole di mtDNA
all’interno di ogni cellula. In un individuo normale,
tutte le molecole di mtDNA sono identiche (omoplasmia).
Solo quando il numero di genomi mutati supera un valore
critico (effetto soglia) si inizia ad avere una
riduzione dell’attività OXPHOS e la conseguente comparsa
di manifestazioni cliniche di malattia.
http://www.mitopedia.org/patologie.php
Probabilmente
quasi due miliardi
di anni fa un
batterio aerobio è
stato fagocitato
da una cellula
eucariotica
primitiva,
stabilendosi nel
suo citoplasma.
Si serebbe così creato un rapporto simbiotico tra i due
microorganismi: il batterio forniva energia in cambio
di un ambiente stabile e riparato e di un apporto
rapido di sostanze nutritive.
Questo batterio
sarebbe stato
l’antenato
dell’attuale
mitocondrio.
Origine della cellula eucariote e dei mitocondri
In due step
successivi
simultanea
(hydrogen hypothesis)