Mitocondrio

ORGANISMI ANAEROBI

La glicolisi per gli organismi anaerobi

(quelli che vivono in condizioni di

assenza di ossigeno e non hanno

mitocondri) è l’unico modo di

approvvigionarsi di ATP. E’ una modalità

di approvigionamento di ATP molto

limitata perché per ogni mole di glucosio

si producono 4 moli di ATP, ma in realtà

due ne vengono utilizzate nei primi due

passaggi, cioè quello di fosforilazione del

glucosio in glucosio 6-fosfato e di fruttosio in fruttosio 1,6 difosfato,

e pertanto rimangono 2 moli di ATP per mole di glucosio. Si produce

in ultimo il piruvato.

1)Nel caso degli organismi anaerobi il piruvato viene fermentato. Ci

sono due tipi di fermentazione: fermentazione lattica e

fermentazione alcolica.

fermentazione alcolica

La avviene in determinati organismi: il

glucosio viene metabolizzato ad etanolo e anidride carbonica. Si

divide in due parti: nella prima parte il saccarosio viene scisso

formando glucosio e fruttosio.

Nella seconda parte (la vera

fermentazione) si ha la glicolisi del

glucosio e/o del fruttosio con la

formazione di due molecole di

piruvato. Queste due molecole

vengono poi decarbossilate ad

acetaldeide da parte di un enzima,

liberando così anidride carbonica.

In ne l’acetaldeide con l’azione di

un enzima viene ridotta ad etanolo.

fermentazione lattica

La è

presente anche nei nostri

muscoli striati. Quando si fa

attività sportiva in maniera

troppo pronunciata e quindi si

fa lavorare il muscolo in

condizioni di anaerobiosi (cioè il

muscolo utilizza più ossigeno di

quello che l’organismo gli

fornisce con la circolazione), si

ha un accumulo di acido lattico

che provoca un crampo.

Il crampo rappresenta un

segnale d’allarme per avvertirci

che la brocellula (o bra

muscolare) sta lavorando in anaerobiosi quando ciò non dovrebbe

succedere.

fi fi fi

ORGANISMI AEROBI

Nel caso di organismi aerobi invece il piruvato viene attraverso

delle traslocasi (gruppo di proteine trasportatrici presenti nelle

membrane biologiche che permettono il passaggio di molecole e

ioni tra i due lati delle membrane stesse) portato all’interno della

matrice mitocondriale (quindi dei sistemi antiporto) viene ossidato

ad acetato e convertito in acetil- coenzima A.

Ciclo degli acidi tricarbossilici (nella matrice)

L’ acetil-coenzima A entra a far parte di questo ciclo degli acidi

tricarbossilici (o Ciclo di Krebs) che si svolge nella matrice del

mitocondrio.

E’ un ciclo prettamente

biochimico, perché non ci

sono delle strutture

macromolecolari, complessi

multiproteici che sono

deputati a questo, ma

semplicemente degli enzimi

che in maniera sequenziale

agiscono.

Il signi cato del ciclo di

Krebs è il fatto che ci sono

dei coenzimi (cofattori-> NADH e FADH2) che vengono ridotti, e nel

momento in cui vengono riossidati

liberano H+ ed elettroni. Questi prodotti saranno utilizzati

successivamente nel sistema di trasporto degli elettroni che si trova

nelle creste mitocondriali.

Sistema di trasporto degli elettroni (nelle creste)

Le creste mitocondriali sono quelle invaginazioni della membrana

interna, che esistono per aumentare la super cie della membrana

interna, e pertanto per potere alloggiare più citocromi e più

complessi dell’ ATPsintasi possibile. Per tale ragione grazie alle

creste mitocondriali viene resa più e ciente la produzione dell’ATP.

L’immagine raffigura la catena di trasporto degli elettroni. Tale

catena è costituita da dei complessi multiproteici molto grandi. Sono

5 le componenti di questa catena di trasporto degli elettroni che

fi ffi fi vengono

chiamati citocromi, ma prendono anche il nome dall’attività specifica

che viene svolta a livello di ogni complesso. Pertanto si passa dal:

• Complesso 1;

• Complesso 2;

• Complesso 3;

• Citocromo c;

• Complesso 4;

Il complesso 4 è l’ultimo e cede elettroni a idrogeno e

ossigeno, per formare la molecole di acqua nale.

I complessi prendono il nome di:

1.NADH deidrogenasi;

2.Succinato deidrogenasi;

3.Citocromo b-c1;

4.Citocromo c (quello che sta a cavallo tra il III e il IV perché in

realtà c’è una di erenza tra il citocromo c e gli altri);

5.Citocromo ossidasi. L’immagine ci

fa capire che

tutti i

complessi,

tranne il

citocromo c

sono costituiti

da un numero

ff fi

più o meno cospicuo proteine transmembrana (della

membrana interna del mitocondrio).

Il complesso 1 (il più grande) ha 25 subunità (o 25 catene

• proteiche) che si devono organizzare nello spazio a

formare questa grossa macchina;

Il complesso 2 ha 4 subunità;

• I complessi 3 e 4 hanno 10 subunità.

• Il citocromo c è l’unico complesso che è estrinseco (non è

• transmembrana), infatti lo si può vedere disegnato

nell’immagine sopra, sotto forma di una componente

sferica con scritto C e fa da spola tra il complesso 3 e il

complesso 4 (si va muovendo sulla super cie della

membrana dato che non è un complesso

transmembrana). Il citocromo C ha un ruolo importante

nel processo di apoptosi (morte cellulare programmata).

Tali complessi non fanno altro che scambiarsi gli elettroni:

Il complesso 1 li cede al compesso 2;

• Il complesso 2 al complesso 3;

• Il complesso 3 al citocromo c;

• Il citocromo c al complesso 4;

•

Ma come fanno dei complessi multiproteici a scambiarsi degli

elettroni?

Tali complessi non contengono soltanto componenti

proteiche, ma hanno i cosiddetti gruppi prostetici.

Un gruppo prostetico è una molecola di natura non

amminoacidica, presente in un complesso multiproteico.

Due esempi di gruppi

prostetici sono:

1.Il centro di ferro-

zolfo; (a destra)

2.Il gruppo eme (a

sinistra, facente parte

anche fi

dell’emoglobina). Al centro del gruppo prostetico di questi due

gruppi prostetici è presente un atomo di ferro.

Il ferro ha due stati:

1.Ferro ferroso Fe2+ (ferro ossidato);

2.Ferro ferrico Fe3+ (ferro ridotto).

A scambiarsi gli elettroni non sono le proteine del

complesso multiproteico, ma sono gli atomi di ferro che passano

da uno stato ossidato a uno stato ridotto (e viceversa), e quindi

assumono o cedono l’elettrone.

Quello che succede durante questo passaggio è che si liberano dei

quanti di energia. In pratica si va da un alto contenuto energetico a

uno sempre più basso, man mano che gli elettroni scorrono nella

catena di trasporto.

L’energia non può scomparire, ma si trasforma come sostenuto del

resto dal chimico e biologo Antoine-Laurent Lavoisier nella legge

della conservazione della massa:

“Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”. Si libera

dell’energia che servirà per il

funzionamento dell’ ATP sintasi.

Nell’immagine sopra è possibile vedere che in punti speci ci della

catena di trasporto, vi è un movimento dei protoni i quali sono la

specie chimica che insieme agli elettroni viene rilasciata dai

cofattori (NADH e FADH2). Gli H+ (protoni) si spostano contro

gradiente dalla matrice verso lo spazio intermembrana. Questi

fi

quanti di energia che si vanno liberando nel passaggio degli

elettroni da un complesso a quello successivo servono ad attivare i

sistemi di trasporto, che spostano un numero x ,per ogni usso di

elettroni, di H+ (nell’immagine sopra sono 10H+) contro gradiente

verso lo spazio intermembrana. In questo modo la matrice

comincia a impoverirsi di H+, mentre lo spazio intermembrana

comincia ad arricchirsi di H+. Dato che H+ è dotato di carica

positiva, la matrice diventa carica negativamente, mentre lo spazio

intermembrana diventa carico positivamente.

Animazione: https://youtu.be/39HTpUG1MwQ

ATPsintasi->Struttura a forma di lecca-lecca Grazie alla

microscopia

elettronica,

che in un

momento

della storia

delle

scoperte

biologiche

ha fornito un

sacco di dati

nuovi che

non si erano

potuti ottenere in precedenza, i microscopisti si accorsero,

guardando delle sezioni di mitocondrio, che nelle creste

mitocondriali c’erano delle strutture che apparivano elettrondense

(quindi colorate in scuro) che avevano la

forma di un lecca-lecca con un peduncolo in lato dentro la

membrana interna del mitocondrio e una parte più slargata che

invece protendeva verso la matrice mitocondriale.

Questo fu un punto di inizio di una serie di

studi, analisi e curiosità sperimentali che i microscopisti

cominciarono a sviluppare.

Per prima cosa si isolarono vescicole di membrana che

contenevano questa struttura a forma di lecca-lecca, e poiché si

sapeva già dalla biochimica e dalla bio sica che a livello della

membrana interna avveniva sia il processo di trasporto degli

fi fi fl

elettroni che la sintesi di ATP, si cominciò a vedere nelle vescicole

intatte, e poi separando la membrana da queste componenti

aforma di lecca-lecca cosa si mantiene di queste prerogative e

cosa invece scompare per riuscire a capire poi qual è la funzione.

Facendo tutte queste prove si vide che se le particelle erano

• intatte (immagine a) il trasporto di elettroni c’era (infatti i

citocromi erano lì) e anche la sintesi dell’ATP, ma non c’era

l’attività ATPasica.

Perché gli scienziati si chiedevano dell’attività ATPasica?

Si sapeva che quell’enzima che era in grado di sintetizzare

l’ATP, (classi cato oggi tra le ATPasi di tipo F) poteva

funzionare anche in maniera opposta, cioè sfruttare l’idrolisi di

ATP (quindi l’attività ATPasica) per spostare delle specie

chimiche;

Nel caso delle particelle submitocondriali (immagine b) tutto

• rimaneva siologico (c’era un trasporto di elettroni, una sintesi

di ATP, ma non c’era un’attività ATPasica;

Se si dissociava la membrana (immagine c) da queste

• componenti proteiche a forma di lecca-lecca, continuava ad

esserci il trasporto di elettroni, ma l’attività ATPasica sostituiva

quella di ATPsintasica, perché oggi si sa che le ATPsintasi

staccate dalla loro localizzazione siologica funzionano

fi fi fi

contrario, cioè come pompe che idrolizzano ATP e non che lo

sintetizzano;

Stessa cosa se si consideravano le membrane da sole e le

• particelle da sole;

quando si ricostituiva il tutto in maniera arti ciale (immagine f)

• ogni co