ATP, mitocondri e cloroplasti

Metabolismo cellulare

L'insieme di tutte le reazioni (esoergoniche ed endoergoniche) è chiamata metabolismo cellulare.

Metabolismo cellulare

Il metabolismo è la totalità dei processi che si verificano in un organismo. Il metabolismo è composto da due fasi che sono distinte ma correlate fra loro:

Anabolismo:

È la sintesi, la costruzione di nuove parti dell'organismo, ad esempio la sintesi delle proteine. Le reazioni anaboliche uniscono molecole semplici per costruirne di più complesse (es. sintesi di saccarosio da glucosio e fruttosio). Esse richiedono un apporto energetico (reazioni endoergoniche): l'energia viene inclusa nei legami chimici che si formano. L'energia catturata nel legame chimico vi resta immagazzinata come energia potenziale. glucosio + fruttosio + energia ---> saccarosio

Catabolismo:

Sono i processi degradativi, le vie cataboliche liberano tanta energia (reazioni esoergoniche). Esse demoliscono molecole più complesse per ottenere molecole più semplici, rilasciando energia.

complesse in molecole più semplici, liberando l'energia contenuta nei legami chimici. Ad esempio, la digestione e la decomposizione di tutto quello che mangiamo viene spezzato in tanti monomeri, viene liberata tanta energia e questa l'organismo la riutilizzerà per costruire parti nuove; inoltre, quando viene idrolizzato il saccarosio si libera energia e si ottiene:

saccarosio + H2O ---> glucosio + fruttosio + energia

Il glucosio è la molecola più comune da cui l'organismo ricava energia. È composto da 6 atomi di carbonio e l'energia chimica è contenuta dentro i legami che si formano tra un atomo e l'altro.

L'energia solare è la principale fonte energetica utilizzata dagli organismi fotosintetici, che la convertono poi in energia chimica (carboidrati). Sono organismi categorizzati in:

Fotoautotrofi: le piante, alcuni protisti e alcuni batteri sono fotoautotrofi ---> attuano la fotosintesi;

Chemioautotrofi: in alcuni batteri,

l'organismo ricava l'energia necessaria dall'ossidazione di sostanze inorganiche, ad esempio i batteri spirilliformi; Eterotrofi: essi si nutrono di sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi. Gli animali si alimentano direttamente (erbivori) o indirettamente (carnivori) di vegetali. Un caso importante di eterotrofismo è quello dei decompositori capaci di nutrirsi di detriti organici, di animali e di piante presenti nel terreno. Chi converte l'energia? ---> cloroplasti e mitocondri. Come questi organelli siano così importanti e svolgano funzioni così importanti all'interno delle cellule si spiega con la teoria endosimbionte formulata per la prima volta da Lynn Alexander Margulis nel 1966. - mitocondri degli eucarioti: evoluti da batteri aerobici entrati in simbiosi con la loro cellula ospite; - cloroplasti delle alghe rosse, alghe verdi e piante: evoluti da ciano batteri endosimbiotici. 1) ORIGINE: - mitocondri e cloroplasti derivano dai

1. Mitocondri e cloroplasti preesistenti:
   • Non possono essere rigenerati
   • Si formano per scissione binaria
2. Genoma:
   • Hanno un genoma proprio
   • Simile a quello batterico
   • Singola molecola di DNA circolare
   • Assenza di istoni
3. Ribosomi:
   • Simili a quelli batterici
4. Membrana (doppia)
5. Sintesi proteica simile a quella batterica:
   • Primo amminoacido inserito: fMET
   • Antibiotici che bloccano la sintesi proteica nei batteri agiscono anche su mitocondri (es. streptomicina) ma non sugli eucarioti
   • Inibitori della sintesi proteica eucariotica (tossina difterica) non hanno effetto su batteri, mitocondri e cloroplasti
   • Rifampicina inibisce la RNApol batterica e quella di mitocondri e cloroplasti, ma non quella eucariotica
6. Analisi filogenetica:
   • Sequenziamento completo del genoma di Rickettsia prowazekii ---> discendente vivente geneticamente più vicino agli endosimbionti divenuti mitocondri negli eucarioti

Mitocondri sono organelli presenti in tutte le cellule eucariotiche, ma non sono presenti nei globuli rossi.

circolanti nei mammiferi. Hanno una forma ovoidale di 1 - 6 µm per 0,2-1µm. Il numero dei mitocondri per cellula varia da 1000 a 2000, fino a 30000 negli ovociti. Lafunzione principale dei mitocondri è quella di accumulare energia chimica estratta dallemolecole in ATP in modo che la cellula possa utilizzarla. La produzione di ATP neimitocondri, che impiega molecole combustibili e ossigeno molecolare (O₂), è detta2respirazione cellulare. struttura mitocondriale: I mitocondri hanno una doppia membrana tra le quali si interpone lo spaziointermembrana. Membrana esterna:

• è liscia;
• ha una funzione protettiva;
• offre scarsa resistenza al movimento di sostanze dentro e fuori dall'organulo;
• è simile a quella del reticolo endoplasmatico ma presenta un contenuto lipidico più alto;
• ha una permeabilità molto superiore a quella della membrana interna.

Membrana interna:

• ha numerose invaginazioni (creste mitocondriali): la membrana interna forma

Il mitocondrio è un organulo presente nelle cellule eucariotiche, responsabile della produzione di energia attraverso la respirazione cellulare. Ha una struttura complessa, composta da una membrana esterna e una membrana interna.

La membrana esterna del mitocondrio è liscia e permeabile, mentre la membrana interna presenta molte pieghe profonde verso l'interno e ha quindi una superficie molto maggiore rispetto a quella interna. Rispetto a quella esterna, quella interna esercita un controllo molto maggiore su ciò che entra o ciò che esce dallo spazio racchiuso.

La composizione chimica della membrana interna ricorda quella della membrana plasmatica dei batteri: 1) contiene cardiolipina; 2) è quasi priva di colesterolo; 3) non è permeabile come quella esterna.

Lo spazio delimitato dalle creste mitocondriali si chiama camera interna o matrice mitocondriale. Oltre a molti enzimi, la matrice contiene ribosomi e DNA, utilizzati per produrre alcune delle proteine necessarie alla respirazione cellulare. Al suo interno vi sono i granuli, utilizzati per l'immagazzinamento di ioni bivalenti come calcio e magnesio.

I mitocondri possono dividersi indipendentemente rispetto al nucleo centrale e il loro numero è successivamente ripristinato in seguito a crescita e fissione.

Il numero di mitocondri per cellula va da un solo enorme organulo in alcuni protisti unicellulari, ad alcune centinaia di migliaia nelle grandi cellule uovo; infatti le zone in cui ci sono più mitocondri, sono quelle a più attività metabolica, quindi dove è richiesta maggior quantità di energia. Es. negli spermatozoi i mitocondri sono disposti a spirale nella porzione intermedia. genoma mitocondriale: L'mtDNA è un cromosoma circolare super avvolto a doppia elica, privo di istoni; negli animali l'mtDNA contiene da 16.000 a 19.000 coppie di basi. Esso è originato da batteri endosimbionti: - è circolare; - è privo di istoni e introni; - ha un codice genetico differente; - viene ereditato per via materna ---> coalescenza matrilineare; - generalmente in omoplasia; - più facilmente impiegabile in studi filogenetici rispetto al DNA nucleare; - velocità dell'orologio molecolare circa quattro volte superiore a quella del DNA nucleare.del corrispondente autosomico: molto utile per analisi relative a separazioni "recenti".
animali e funghi ---> codice genetico differente da quello universale e diverso anche in specie affini;
mitocondri delle piante ---> codice universale.
Proteine mitocondriali: la maggior parte delle proteine mitocondriali sono codificate dal DNA nucleare (sintetizzate nel citoplasma e importate ai mitocondri). Sono dotate di segnali specifici che le indirizzano:
- allo spazio intermembrana;
- membrana interna;
- matrice.
Vi sono inoltre specifici recettori/traslocatori presenti sulla membrana esterna (TOM) e sulla membrana interna (TIM).
Nel mitocondrio ci sono circa 3000 proteine, di cui molte codificate da geni nucleari.
CLOROPLASTI
I cloroplasti sono gli organelli specializzati per la fotosintesi, e sono localizzati sulla pagina inferiore della foglia, negli stomi.
Stomi: strutture costituite da due porzioni che tendono ad aprire e chiudere un varco, che consente gli scambi gassosi e che si apregrazie a variazione di turgidità, passaggio dell'acqua. Consentono l'ingresso di CO2, l'uscita di ossigeno e acqua. L'energia solare permette la trasformazione di elementi inorganici in elementi organici. Viene prodotto un elemento di scarto dopo CH2O, cioè l'ossigeno. Il cloroplasto è un organello specializzato in fotosintesi costituito da doppia membrana e da membrane interne costituenti i tilacoidi. Lo spazio interno al cloroplasto si chiama stroma e l'insieme dei tubuli e dei dischi si chiama grana. 6CO2 + 12H2O + luce --> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O Alla fine della fotosintesi ottengo del glucosio che utilizziamo come fonte di energia. Il glucosio viene usato sia da autotrofi che da eterotrofi, sia nella forma semplice, sia in quelle complesse. Le funzioni cellulari che richiedono energia sono tante: movimento, contrazione, sintesi di sostanze, DNA e RNA polimerasi, trasporto. La conversione del glucosio in energia è

legata alle funzioni dei mitocondri. I mitocondri possono consentirci di produrre ATP con la respirazione cellulare. Ha inizio nel citoplasma con la glicolisi, e una fase mitocondriale che consiste in due step: ciclo di Krebs (o dell'acido citrico) e la fosforilazione ossidativa. Queste avvengono in spazi diversi del mitocondrio. Il risultato è la produzione di energia, CO2 e H2O. La combustione del glucosio è un processo esoergonico ed è una reazione mediante la combustione ottengo anidride carbonica, acqua e 686 kcal/mol. Circa il 40% dell'energia liberata dall'ossidazione del glucosio viene utilizzata per trasformare ADP in ATP. Secondo un principio di base, tutti gli organismi traggono energia da reazioni di ossido riduzione; gli elettroni vengono trasportati da un donatore (agente riducente) ad un accettore (agente ossidante). Nel farlo, gli enzimi che catalizzano le redox utilizzano dei cofattori: molecole che sostengono e facilitano il trasporto degli elettroni.

che sono il NAD, il NADP, e il FAD.
NADP = Nicotinamide Adenin Dinucleotide Fosfato;
FAD = Flavin Adenin Dinucleotide.
Riducendosi e ossidandosi i cofattori ci consentono di acquisire elettroni, spostarsi nell'altro distretto. Sono trasportatori di cariche che lavorano nei siti opportuni.
La respirazione è fatta di tappa citoplasmatica e tappa mitocondriale.
Glicolisi = fase per cui la molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato. In presenza di ossigeno molecolare, il piruvato viene decarbossilato a acido acetico e combinato con il coenzima A, a formare l'Acetil-CoA. L'Acetil-CoA entra nella tappa mitocondriale che avviene in due stadi, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, alimenta il ciclo di Krebs consentendo la formazione dell'acido citrico.
L'acido citrico è il