Appunti di Biologia

Funzione del mitocondrio

La funzione principale del mitocondrio è la produzione di energia utilizzando i principali prodotti della glicolisi, ovvero il piruvato e il NADH. Questa produzione di energia avviene mediante due processi:

• Ciclo di Krebs (ciclo dell'acido citrico)
• Fosforilazione ossidativa (catena di trasporto degli elettroni)

DNA mitocondriale

Il DNA mitocondriale è collocato nei mitocondri ed è composto da un cromosoma mitocondriale che ha una forma ad anello.

Curiosità

Nei mitocondri si verificano processi concettualmente simili all'ascissione binaria, divisione batterica. Di conseguenza, sono in grado di sintetizzare nuove proteine mitocondriali e creare nuovi mitocondri. Inoltre, dato che anche i batteri possiedono un DNA ad anello, si ritiene che il mitocondrio sia derivato da una cellula che ha sfruttato la sua capacità di fagocitare batteri per produrre energia.

Trasporto mitocondriale

Il trasporto attraverso le membrane mitocondriali avviene in due modi:

• Nella membrana esterna

permeabile attraverso le porine.

nella membrana interna impermeabile attraverso di trasportatori di natura proteica.

556.2 Produzione di energia

Respirazione cellulare

Insieme dei processi metabolici con cui le cellule ottengono energia attraverso la discomposizione dei nutrienti in molecole più semplici.

2 tipi di respirazione cellulare:

• Aerobica completa del glucosio con il consumo di ossigeno che produce CO2 e H2O.
• Anaerobica

Curiosità

Le cellule ossidano lo zucchero conservandone l'energia e gradualmente accumulandola nelle molecole di trasporto attivate, a differenza di quanto avviene semplicemente bruciando la cellula, in cui tutta l'energia libera viene rilasciata sotto forma di calore.

La produzione di energia avviene in 3 fasi:

1. Fase 1 delle macromolecole in subunità semplici.
2. Fase 2 Degradazione delle subunità semplici ad acetil CoA.
3. Fase 3 Produzione di eATP.
trasporto degli elettroni durante la respirazione cellulare. Viene prodotto nella glicolisi e nel ciclo dell'acido citrico e successivamente utilizzato nella catena di trasporto degli elettroni per la produzione di ATP. ATP (Adenosina trifosfato) Molecola energetica che viene prodotta durante la respirazione cellulare. Viene utilizzata come fonte di energia per le reazioni cellulari. Demolizione delle macromolecole degli alimenti Processo mediante il quale le grandi molecole presenti negli alimenti vengono scomposte in unità più semplici. Questo avviene principalmente nella digestione, all'interno delle cellule e nell'intestino. Piruvato Molecola composta da tre atomi di carbonio che deriva dalla demolizione del glucosio. Viene prodotto durante la glicolisi. Glicolisi Serie di reazioni che porta alla degradazione del glucosio nel citosol. Durante questo processo vengono prodotte molecole di piruvato, ATP e NADH. Ciclo dell'acido citrico Processo che avviene nella matrice mitocondriale e che coinvolge la degradazione dell'acetil-CoA. Durante questo ciclo vengono prodotte molecole di NADH, FADH2, ATP e CO2. Acetil-CoA Molecola che viene prodotta nella matrice mitocondriale dalla reazione del piruvato con il coenzima A. Questa reazione è catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi. NADH (Nicotinammide Adenina Dinucleotide) Coenzima che si occupa del trasporto degli elettroni durante la respirazione cellulare. Viene prodotto nella glicolisi e nel ciclo dell'acido citrico e successivamente utilizzato nella catena di trasporto degli elettroni per la produzione di ATP.

trasporto diossidoriduttivo elettroni.

Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs)

Ciclo il cui fine è quello di catalizzare l’ossidazione completa degli atomi diche costituiscono l’acetil-CoA, convertendoli in . Al termine di ognicarbonio CO 2ciclo vengono prodotte molecole di e molecole di .

3 NADH 2 CO 2

Fosforilazione ossidativa

Reazione che completa il delle macromolecole. Essa è costituita da 2catabolismofasi:

1. Catena di trasporto degli elettroni
2. Fosforilazione dell’ADP 57

Catena di trasporto degli elettroni

La trasferisce degli che passano attraversoNADH elettroni ad alta energia 3che formano ilcomplessi enzimatici respiratori, sistema di trasporto deglie che si trovano nellaelettroni (ETS) membrana mitocondriale interna:

• Complesso della NADH deidrogenasi
• Complesso della citocromo c reduttasi
• Complesso della citocromo c ossidasi

I complessi proteici pompano gli ioni H derivanti dall’ossidazione, ovvero la perdita+ +di elettroni,

della NADH che diventa NAD+. Gli ioni H+ vengono, quindi, pompati dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana tramite un trasporto attivo e generano un gradiente protonico. All'interno della membrana mitocondriale, l'ubichinone (Q) e il citocromo c, delle molecole di trasporto mobile, spostano gli elettroni da un complesso al successivo, favoriti energeticamente dal passare da trasportatori meno affini per gli elettroni, a trasportatori più affini. Questa catena di trasporto termina quando gli elettroni si combinano con una molecola di O2, andando a formare dell'acqua. Potenziale redox Misura della tendenza di una specie chimica ad acquisire, cioè ad essere ridotta, aumenta lungo la catena di trasporto mitocondriale degli elettroni, ed è condizione necessaria affinché i 3 complessi enzimatici respiratori possano pompare protoni. In ogni complesso sono presenti degli ioni metallici disposti a in grado

Tanto più il potenziale redox è negativo, tanto più le coppie redox hanno la tendenza di rilasciare elettroni, ovvero ossidarsi. Il primo complesso ha un potenziale redox negativo, quindi gli ioni metallici della NADH idrogenasi tendono a non trattenere gli elettroni che passeranno all'ubichinone e così via fino ad arrivare all'ossigeno, ovvero l'accettore finale, che li attrae grazie al suo potenziale redox positivo. Ad ogni passaggio gli elettroni diminuiscono la loro energia libera quantizzata in modo ed essa verrà utilizzata dalle molecole vettori per pompare protoni dalla matrice allo spazio intermembrana.

Nei complessi proteici sono presenti, in particolare, coppie di ioni di ferro e rame. Il gradiente elettrochimico transmembrana è generato da due componenti:

• Componente elettrica
• Gradiente di H presente ai due lati della membrana mitocondriale interna

Dopo il flusso nella catena di trasporto degli elettroni,

è presente undi cariche nello spazio intermembrana eparziale accumulo positivenella matrice mitocondriale. Questa differenza di caricanegativedetermina il ΔV pari a:potenziale elettrico transmembrana≈ΔV 180 mV• Componente chimicaDopo il flusso nella catena di trasporto degli elettroni, è presente un+di nello spazio intermembrana che ne determina ilaccumulo ioni Hinvece nella matrice è presente un Di conseguenzapH=7.2, pH=7.9.si genera un gradiente di concentrazione dei protoni, detto gradiente dipH.Forza motrice protonica +Forza che muove gli ioni H presenti nello spazio intermembrana verso la matricemitocondriale, costituita da 2 forze:• dovuta al ΔVForza potenziale di membrana• dovuta al dei protoni ΔpHForza gradiente di concentrazione59ATP sintasi di grandi dimensioni, composta da molte immersa nellaProteina subunità,membrana mitocondriale interna.E’ una pompa protonica di tipo F costituita da 2 strutture principali

collegate dallo stelo centrale:
• (Fattore Oligomicina)F O Proteina inserita nella membrana mitocondriale interna, integrale a, b c. costituita da subunità subunità e subunità una 2 10
• F 1 Proteina che costituisce la globulare che sporge nella periferica testa α β. matrice mitocondriale, costituita da subunità e subunità Le 33 3α-β α-β coppie prendono il nome di e hanno diverse dimensioni configurazioni:
1. Aperta: l'ATP appena sintetizzato e accoglie ADP e il gruppo RilasciaPfosfato .i
2. Allentata: Lega l'ADP e il gruppo fosfato saldamente
3. Stretta: Favorisce la condensazione dell'ADP e del gruppo fosfato, formando un legame ad alta energia che genera ATP.
• Fosforilazione dell'ADP: Processo di sintesi dell'ATP che avviene nell'ATP sintasi, che converte energia meccanica dei protoni, che si spostano secondo gradiente elettrochimico, in energia necessaria per la
dell’ADP.fosforilazione 60Procedimento:
1. Flusso di protoni

   Nella regione transmembrana è presente un canale che consente il passaggio di protoni secondo gradiente elettrochimico.

2. Rotazione

   Il passaggio di protoni fa ruotare rapidamente il loro trasportatore e il suo stelo, il quale sfrega contro le proteine contenute nella testa globulare che rimane ferma, alterandone la sua conformazione.

3. Fosforilazione

   La deformazione meccanica viene convertita in energia, sfruttata per la sintesi di ATP a partire da ADP e fosfato.

4. Idrolisi dell’ATP

   Se il gradiente elettrochimico dei protoni scende sotto una soglia limite, la variazione di energia libera per la traslocazione dei protoni nella matrice non sarà più sufficiente per alimentare la sintesi di ATP, anzi i protoni vengono spinti in direzione opposta, causando l’idrolisi di ATP che genera ADP, un gruppo fosfato e ricostruisce il gradiente protonico.

Sistema di controllo

Affinché l’ATP sintasi

possa sintetizzare l'ATP, è necessario che nella matrice mitocondriale siano sempre presenti 3 specie chimiche: 1. Piruvato: Prodotto della glicolisi presente nel citosol, reagente necessario per il ciclo di Krebs (acido citrico) e la fosforilazione ossidativa che produce i protoni, il cui movimento genera energia meccanica sfruttata dall'ATP sintasi. 2. ADP: Adenosina difosfato, molecola che viene convertita in ATP durante la fosforilazione ossidativa. 3. Gruppo fosfato: Molecola contenente un gruppo fosfato, necessaria per la sintesi di ATP. La loro presenza è regolata dai rispettivi cotrasportatori: 1. Cotrasportatore simporto: Trasporto del piruvato dai protoni H+, che si muovono secondo un gradiente di pH. 2. Cotrasportatore antiporto: Trasporto dell'ADP all'interno della matrice, correlato alla fuoriuscita di ATP prodotto dall'ATP sintasi. Esso avviene con un rapporto tra ATP e ADP di 1:1 ed è alimentato dal gradiente di voltaggio. 3. Cotrasportatore simporto: Trasporto del gruppo fosfato dai protoni H+, che si muovono secondo un gradiente di pH. Di conseguenza, i protoni vengono pompati nello spazio

L'intermembrana e la catena di trasporto degli elettroni svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione delle specie chimiche presenti.