Citologia 22 Mitocondri 1

Citologia 22 - Mitocondri

Sono organelli addetti alla respirazione cellulare. Sono presenti in quasi tutte le cellule eucariote ed una cellula mediamente ne contiene circa 2000. La presenza dei mitocondri in una determinata cellula varia:

Di numero, da cellula a cellula, a seconda delle necessit energetiche della cellula;

Di numero, allinterno di una stessa cellula, a seconda dello stato funzionale della cellula;

Di posizione, a seconda della sede di bisogno dellenergia (per esempio, negli spermatozoi sono dislocati attorno al flagello).

Secondo la teoria dell'endosimbiosi, i mitocondri deriverebbero da cellule procariote libere, adattatisi ad una relazione di simbiosi dentro la cellula ospite. Struttura Il mitocondrio ha la forma di un salsicciotto ed formato da 4 componenti che, dallesterno verso linterno, sono:

Membrana esterna: separa lo spazio intermembrana dal citoplasma. ricca di lipidi (circa 50%) e di enzimi di diversa natura. assai permeabile

Spazio intermembrana: uno spazio tra le due membrane indispensabile per la creazione del gradiente protonico durante la fosforilazione ossidativa (vedi Biologia 22).

Membrana interna: posta tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale. ricca di proteine (rapporto proteine/lipidi = 3:1) ed priva di colesterolo. priva di porine, e perci molto impermeabile. Le uniche molecole o ioni che la attraversano devono passare di trasportatori transmembrana altamente selettive. La membrana interna si ripiega a formare le creste mitocondriali.

Matrice mitocondriale: una sostanza gelatinosa, che rappresenta il cuore del mitocondrio. Al suo interno sono presenti:

Numerosi enzimi. Ribosomi (pi piccoli di quelli presenti nel resto della cellula). DNA circolare a doppio filamento (mtDNA). Si tratta di un DNA simile a quello dei batteri

(una catena a doppia elica, senza istoni e non organizzata in cromosomi). L mtDNA contiene 37 geni codificanti:

2 per lrRNA (RNA ribosomale), 22 per il tRNA (RNA transfer), 13 per gli enzimi della fosforilazione ossidativa.

Il DNA mitocondriale ha due caratteristiche assai particolari: Permette al mitocondrio di dividersi indipendentemente dalla cellula ( come se

il mitocondrio fosse una cellula nella cellula); Si trasmette per via matrilineare. Al momento della fecondazione (unione tra

spermatozoo e ovocita per formare lo zigote) i mitocondri dello spermatozoo, una volta entrati nellovocita, vengono eliminati. Per questo, in nuovo individuo avr lo stesso mtDNA della madre, perch erediter i mitocondri solo da lei.

Respirazione cellulare I mitocondri intervengono nella respirazione cellulare, ovvero il processo metabolico attraverso cui molecole semplici (zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi) vengono convertiti (attraverso numerose trasformazioni) in energia (sotto forma di ATP). In questa lezione osserveremo il metabolismo del glucosio per comprendere il ruolo dei mitocondri. 1) Glicolisi Si tratta di una via catabolica in cui una molecola di glucosio viene convertita in 2 molecole di acido piruvico (o piruvato). Avviene nel citoplasma.

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La glicolisi divisa in due fasi:

Di investimento: nella prima fase, la cellula consuma 2 ATP per dividere il glucosio (che ha 6 atomi di carbonio) in 2 molecole a 3 atomi di carbonio ciascuna. In questa fase la cellula spende una piccola energia per produrre due molecole ad alto valore energetico.

Di rendimento: nella seconda fase, la cellula modifica le due molecole a 3 atomi di carbonio, trasformandole in acido piruvico (sempre a 3 atomi di carbonio). Durante la seconda fase, si ha, in totale, la produzione di 4 ATP (2 per ogni molecola) e 2 NADH1 (1 per ogni molecola).

Quindi, alla fine della glicolisi, la cellula ha guadagnato 2 ATP (2 ATP consumate nella prima fase e 4 guadagnate nella seconda) e 2 NADH (che potranno essere utilizzati per produrre ATP). Il piruvato prodotto ha due destini diversi a seconda della quantit di O2 in cellula:

Se c poco O2, allora andr incontro a fermentazione (respirazione anaerobia).

Se c abbastanza O2, allora andr incontro a ciclo di Krebs e poi a fosforilazione ossidativa (respirazione aerobia).

2A) Fermentazione Avviene nel citoplasma. Serve principalmente a rifornire la glicolisi di NAD+, senza il quale essa si blocca. Infatti, allinizio della fase di rendimento della glicolisi, la molecola intermedia viene ossidata e gli elettroni vengono trasferiti sul NAD+ che diventa NADH. Se la quantit di NAD+ scende considerevolmente (come nel caso di glicolisi accelerata in sforzi intensi), la glicolisi rischia di fermarsi. La fermentazione usa NADH per ridurre lacido piruvico (formando il lattato o lalcol etilico) e ricreare il NAD+. Essa pu essere di due tipi, a seconda del prodotto:

Fermentazione lattica, il cui prodotto finale lacido lattico (o lattato). Questa avviene nei muscoli scheletrici quando sono sottoposti a sforzi troppo intensi. In queste condizioni, infatti, il muscolo ha bisogno immediatamente di molta energia, che non riesce a ricavare dalla fosforilazione ossidativa (perch una via pi lenta della glicolisi).

Fermentazione alcolica, il cui prodotto finale alcol etilico. Questa avviene, ad esempio, nel vino. Lenergia che la cellula ricava dalla fermentazione di 2 NADH (1 per ogni acido piruvico) e 2 ATP.

2B) Ossidazione del piruvato e ciclo di Krebs Prima del ciclo di Krebs, grazie allO2, il piruvato viene convertito in acetil-coA con produzione, per ogni acido piruvico, di 1 molecola di NADH e 1 molecola di CO2. Inizia a questo punto il ciclo di Krebs (nella matrice mitocondriale). Lacetil-coA passa attraverso una serie di 8 reazioni chimiche, che avvengono in maniera ciclica (cio sono sempre le stesse per ogni molecola di acetil-coA). Alla fine del ciclo di Krebs, si ottengono, per ogni acetil-coA, 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 e 1 ATP.

3B) Fosforilazione ossidativa Questa fase avviene sulla membrana mitocondriale interna, a livello delle creste mitocondriali. Durante la fosforilazione ossidativa, entrano in gioco:

Complessi transmembrana, formati da una parte proteica (enzimatica) ed un gruppo prostetico (cationi capaci di attrarre elettroni). I complessi sono quattro: I, II, III, IV.

Ubichinone e citocromo C, piccole molecole libere di spostarsi da un complesso allaltro trasportando elettroni.

NADH e FADH2, in cui contenuta energia sotto forma di legame.

Ossigeno (O2).

1 NAD e FAD sono dei coenzimi che si caricano di ioni irogeno (H+) ed elettroni (e-) diventando NADH e FADH2 per trasportare elettroni. Questi elettroni vengono infine ceduti ai trasportatori di membrana per far avvenire la fosforilazione ossidativa

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Pompe di tipo F Il processo avviene in diverse fasi:

1. Al complesso I arrivano le molecole di NADH e FADH2. Queste rompono il legame con lidrogeno e liberano gli elettroni che erano coinvolti in quel legame. Questi elettroni vengono attratti dal catione presente nel complesso I e, attraversandolo, riescono a far passare alcuni ioni H+

dalla matrice allo spazio intermembrana. Dopo questa fase gli elettroni vengono caricati sullubichinone.

2. Altri elettroni, contemporaneamente, vengono donati dal FADH2 al complesso II, lo attraversano, (ma non vengono pompati ioni attraverso la membrana) e vengono caricati sullubichinone. Questo complesso in realta un enzima del ciclo di Krebs (succinato deidrogenasi) che produce esso stesso il FADH2 da cui assorbe gli elettroni.

3. A questo punto lubichinone trasporta gli elettroni acquisiti dai complessi I e II sul complesso III che li utilizza per pompare nello spazio intermembrana altri ioni idrogeno. Dopodich li carica sul citocromo C.

4. Il citocromo C trasporta gli elettroni al complesso IV che li usa per pompare fuori altri ioni idrogeno e poi li trasferisce allossigeno. Grazie a questi due elettroni e grazie a due ioni H+, si forma una molecola di H2O.

5. Una volta che gli elettroni hanno finito la loro corsa, gli ioni H+ si trovano nello spazio intermembrana e, per gradiente di concentrazione, tendono a rientrare nella matrice. Tuttavia, lunica strada che hanno per rientrarci la pompa di tipo F chiamata ATP sintasi. Dato che il passaggio avviene in maniera passiva, la pompa sfrutta lenergia che si crea in seguito alle interazioni elettrostatiche tra lo ione H+ e il la pompa stessa per trasformare una molecola di ADP in una molecola di ATP. Cio, va a ricaricare lADP. Con questo meccanismo, per ogni molecola di glucosio di partenza, si riescono ad ottenere ben 26 molecole di ATP.

Aggiungendo a queste 26 molecole di ATP le 2 guadagnate nella glicolisi e le 2 prodotte nel ciclo di Krebs, notiamo che da una molecola di glucosio si ottengono 30 ATP, che possono arrivare a 32 in alcuni casi. La respirazione aerobia, quindi, fornisce alla cellula una quantit di energia circa 8 volte maggiore di quella anaerobia. Apoptosi (morte cellulare programmata) un processo attraverso cui la cellula, a causa di malfunzionamenti, "decide" di morire. Lapoptposi un processo diverso dalla necrosi:

Necrosi: la cellula muore a causa di un trauma

Apopotosi: morte cellulare programmata. L'apoptosi viene innescata da alcuni segnali, che possono venire dall'interno (via intrinseca) o dallesterno (via estrinseca) della cellula. Via intrinseca (mitocondriale) Si innesca in seguito a danni del DNA. In un primo momento, la cellula cerca di riparare i danni prodotti (per varie cause) al proprio DNA. A tal fine, interviene una proteina, detta ATM, che individua la sede del danno. LATM richiama nella sede del danno la p53, una seconda proteina (detta guardiano del genoma) che provvede a far riparare il danno. Se la riparazione non riesce, la p53 attiva una terza proteina, detta BAX, che produce dei pori sulla membrana esterna dei mitocondri provocando la fuoriuscita dei componenti, tra cui il Citocromo-C. Questo si unisce allApaf-1 (una proteina citoplasmatica) formando un complesso eptamerico (cio formato da 7 unit di Apaf-1 + 7 citocromi-C + 7 Pro-Caspasi-92), detto apoptosoma, che attiva la Caspasi-3 (effettore finale sia della via intrinseca che estrinseca).

2 Le caspasi sono enzimi proteolitici coinvolti nell'apoptosi. Quando sono precedute dal prefisso pro- significa che sono in forma inattiva.

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Via estrinseca Si innesca a causa di molecole segnale (TNF-, FasL, Trail) prodotte da altre cellule (es. i linfociti T killer). Le molecole segnale interagiscono con proteine-recettori della membrana citoplasmatica della cellula che deve morire e, attraverso lintervento di altri fattori, attiva la pro-Caspasi-8, la quale attiva la Caspasi-3. Indipendentemente dalla provenienza dei segnali (via intrinseca od estrinseca) leffettore comune rappresentato dalla Caspasi-3. Questo enzima, una volta attivato, svolge 4 funzioni principali:

interagisce con il complesso DNAsi-Inibitore, determinandone il distacco di questultimo (inibitore della DNAsi). In tal modo la DNAsi frammenta il DNA effettuando tagli regolari su di esso (1 taglio ogni 190 coppie di basi);

interagisce con le proteine del citoscheletro determinandone la frammentazione di questo ed il conseguente collasso del citoplasma;

frammenta le proteine citoplasmatiche;

attiva particolari proteine che determinano la formazione delle bolle apoptotiche (blebbings = vescicole di frammentazione), contenenti frammenti del DNA, mitocondri e porzioni di citoplasma. In tal modo

si evita la dispersione delle sostanze intracellulari e quindi linnesco di reazioni infiammatorie

si favorisce la fagocitosi delle cellule apoptotiche. Funzioni secondarie dei mitocondri

I mitocondri sono coinvolti in molte altre funzioni, quali processi di proliferazione cellulare (mitosi e meiosi), produzione di calore (negli adipociti bruni) e sintesi del colesterolo (grazie ad enzimi moto specifici).