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Citologia - mitocondri e produzione di energia

Appunti di Citologia per l'esame della professoressa Zavan. Gli argomenti trattati sono i seguenti: mitocondri: struttura e funzione, produzione di atp, struttura e funzione dell'atp sintetasi, respirazione cellulare, necrosi e apoptosi, traduzione cellulare.

Esame di Citologia docente Prof. V. Zavan

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ESTRATTO DOCUMENTO

Una pompa generalmente utilizza ATP per spostare dei soluti contro il loro gradiente di

concentrazione o contro il loro gradiente elettrochimico. In questo caso l'H+ si muove nel

verso favorito dal suo gradiente elettrochimico e questo porta alla formazione di ATP,

perché ricordate le pompe sono enzimi enzimi che nelle condizioni in cui abbiamo parlato

fin ora defosforilano l'ATP ma poiché sono catalizzatori

possono funzionare anche al contrario e favorire la

reazione opposta, in questo caso favorire la formazione di

ATP a partire da ADP e Pi.

Quindi nel complesso la respirazione ossidativa è questo.

ATP-sintasi: una pompa inversa

L’ATP-sintasi è un complesso proteico posto sulla membrana mitocondriale interna che,

facendo entrare ioni idrogeno nella matrice, produce ATP.

Le pompe normalmente usano l’ATP per pompare soluti contro il loro gradiente di

concentrazione chimico.

In questo caso invece, gli ioni idrogeno si muovono nel verso dato dal gradiente

elettrochimico, e questo porta alla formazione di ATP.

Le normali pompe proteiche defosforilano L’ATP per produrre energia, trasformandolo in

ADP + Pi, ma essendo enzimi (e quindi catalizzatori) possono anche presiedere al

processo contrario, ovvero la formazione di ATP a partire da ADP e fosfato, come nel caso

dell’ATP-sintasi.

Questo passaggio consiste in una defosforilazione ossidativa.

L’ATP-sintasi non è presente su tutta la membrana mitocondriale interna, ma si trova solo

sulle creste mitocondriali. Tutti i complessi proteici analizzati si trovano sulle creste

+

mitocondriali perché lo ione H deve accumularsi nello spazio intramembrana, ma se sono

presenti delle porine nella membrana mitocondriale esterna che permettono il passaggio di

+

soluti, lo ione H andrebbe a disperdersi nel citoplasma della cellula.

In realtà lo spazio che è compreso all’interno delle creste mitocondriali, pur essendo in

comunicazione con lo spazio intermembrana, è relativamente isolato da esso: in questo

spazio si accumulano quindi gli ioni idrogeno: per questo tutti i processi della respirazione

avvengono all’interno delle creste.

Struttura e funzionamento dell’ATP-sintasi

Le ATP-sintasi sono anastomizzate tra di loro e sporgono verso la matrice (spazio interno

del mitocondrio) e sono composte da due parti connesse tra di loro e hanno una zona che

sporge nella matrice collegata tramite uno stelo, costituito da una proteina γ, a un disco

interno al doppio strato lipidico.

La pompa funziona mediante un meccanismo a rotazione. La subunità C (il disco su cui si

+

inserisce la subunità γ) contiene diversi domini ripetuti che possono legare gli ioni H che

entrano nella subunità A e sono veicolati verso regioni di legame (è presente un

amminoacido con caratteristiche acide che lega lo ione idrogeno). Tale legame porta a un

cambiamento conformazionale che induce la rotazione del dominio C.

A seguito di tale rotazione la posizione occupata dallo ione idrogeno viene sostituita da

una nuova regione, simile alla prima, ma priva dello ione idrogeno perché, dopo aver

ruotato quasi completamente, tale ione viene liberato dalla “tasca” in cui giaceva, ritorna

alla subunità A e esce nella matrice attraverso un altro dominio.

La rotazione interessa anche la subunità γ, che è inserita in una regione dell’ATP-sintasi

che è costituita da subunità α e β che formano una ripartizione di tre dimeri, più

precisamente le due subunità dimerizzano tra di loro formando degli etero-dimeri.

A queste subunità si legano ATP, ADP e fosfato: a seconda di come sono conformate si

può legare l’ADP + Pi, oppure si può formare ATP.

Nella conformazione aperta (open o “O”) il dimero α- β lega ADP + Pi. Nella

conformazione a bassa affinità (conformazione L) questi vengono trattenuti, mentre nella

conformazione ad alta affinità ADP e Pi vengono avvicinati molto l’uno all’altro e

spontaneamente danno origina all’ATP.

Dalla conformazione ad altra affinità, detta tight, il dimero ritorna alla conformazione open,

che rilascia la molecola di ATP.

Il passaggio attraverso queste varie conformazioni (O,L,T) è dovuto alla rotazione della

subunità γ che non è simmetrica, ma presenta una punta: quando la punta è in contatto

con la subunità α- β, si ha la conformazione O. Inoltre la punta della subunità γ si orienta

verso il dimero vicino, che dalla conformazione O passa alla L ed infine, ruotando ancora,

questo dimero arriva ad assumere la conformazione T.

Durante la rotazione di un dimero, anche gli altri due sono soggetti a simultanea rotazione.

In sintesi, la rotazione della subunità C, dovuta al passaggio di ioni idrogeno, porta alla

rotazione della subunità γ, che a sua volta porta al cambiamento di conformazione delle

subunità α- β, garantendo quindi il legame di ADP e Pi, e la sua trasformazione in ATP.

All’interno dei mitocondri si definisce come citoplasma la zona interna del mitocondrio

(ovvero la matrice), mentre si definisce periplasma la zona delle creste.

L’ATP-sintasi batterica è praticamente identica a quella dei mitocondri (essendosi questi

ultimi originati da un ancestrale batterio endosimbiontico).

Breve riassunto delle tappe della respirazione cellulare

La glicolisi permette la trasformazione del glucosio in piruvato, che è trasformato nella

matrice mitocondriale in coenzima A, che all’interno del ciclo dell’acido citrico (ciclo di

Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici), viene trasformato in CO , con rilascio successivo

2

del coenzima A.

Il NADH viene usato nella catena di trasporto, e in particolare nella fosforilazione

ossidativa, per pompare fuori dalla matrice ioni idrogeno, che quindi si accumulano,

formano un gradiente elettrochimico che può essere utilizzato per produrre ATP.

Ruolo dell’Acetil-coenzima A nella respirazione e sua produzione

L’acetil-coenzima A è il punto di partenza del ciclo dell’acido citrico, che permette la

produzione del NADH.

Si può però ottenere il Coenzima A anche attraverso altri sistemi oltre alla glicolisi, ad

esempio tramite la digestione degli acidi grassi: questo è un sistema di riserva di

produzione di energia. Nel caso non ci sia a disposizione il glucosio, la cellula può

utilizzare gli acidi grassi oppure anche gli amminoacidi come fonte di carbonio per

produrre il coenzima A. La fonte di questi amminoacidi sono le proteine della cellula, che

può “digerire se stessa” per tentare di far fronte alla mancanza di glucosio.

Trasporto attraverso le due membrane mitocondriali

Il trasporto attraverso la membrana mitocondriale esterna non comporta difficoltà, perché

tale membrana è interamente attraversata da porine, proteine che formano dei pori che

permettono l’attraversamento dei soluti senza problemi.

Tuttavia, la membrana mitocondriale interna è impermeabile alla maggior parte dei soluti

perché solo così si può creare il gradiente elettrochimico protonico: devono quindi essere

utilizzati dei trasportatori che portino dentro i nutrienti e fuori l’ATP.

Trasporto attivo di nutrienti e ione fosfato: simporto

Per portare all’interno del mitocondrio i nutrienti si utilizzano sistemi di simporto tra il

piruvato, che entra nello spazio intramembrana e negli spazi all’interno delle creste

+

mitocondriali, e lo ione idrogeno. Più precisamente il gradiente di ioni H non viene

utilizzato direttamente per produrre energia, me per favorire l’entrata del piruvato

all’interno della matrice.

Similmente viene trasportato anche il fosfato, uno ione abbastanza grande che non può

penetrare nella matrice attraverso la membrana mitocondriale interna senza uno specifico

trasportatore che utilizza il simporto con lo ione idrogeno.

Trasporto attivo di ATP: antiporto

L’ATP invece, viene scambiato con l’ADP: il trasporto di ATP fuori dalla matrice avviene in

antiporto con l’ADP: il trasportatore in antiporto ADP-ATP, per poter funzionare, richiede il

+

gradiente elettrochimico degli ioni H ( pur non utilizzando direttamente ioni idrogeno,

questo trasportatore necessita di una carica netta positiva nello spazio intermembrana,

mentre la matrice presenta una carica netta negativa). L’ATP può così passare nello

spazio tra le due membrane mitocondriali e successivamente, tramite le porine, passare

nel citoplasma.

Regolazione della respirazione cellulare

Il meccanismo respiratorio è estremamente regolato e richiede un notevole consumo di

proteine. Le proteine della catena respiratoria sono sottoposte a notevole usura per il

trasporto di elettroni e perciò necessitano di sostituzione costante: la loro funzione è

regolata dai livelli di ADP ( se i livelli di ADP nella cellula sono molto bassi, la respirazione

viene bloccata perché la cellula ha ATP a sufficienza). La respirazione non è quindi un

processo costantemente attivato, ma dipende dalle necessità energetiche della cellula.

Morte cellulare e morte cellulare programmata: necrosi e apoptosi

Fino alla fine degli anni ’80, si pensava che le cellule del nostro organismo morissero solo

quando mancavano nutrienti o ossigeno, secondo un processo detto necrosi, che porta

alla perdita di controllo dell’equilibrio ionico delle cellule stesse, che finiscono per gonfiarsi

e scoppiare.

In realtà le cellule, anche durante la vita adulta, vanno incontro ad una morte

programmata, ovvero si attivano dei geni che le “uccidono”.

Questo fenomeno assume una rilevanza fondamentale ad esempio durante

l’embriogenesi: durante la formazione della mano ( che in un primo momento è palmata),

la membrana che unisce le dita va incontro a morte programmata, e la mano assume la

sua tipica conformazione.

Esiste un processo simile anche nel cervello e nel sistema immunitario, dove vengono

eliminate le cellule inutili (che hanno perso la loro funzione e non sono in grado di produrre

anticorpi) o dannose (potrebbero riconoscere le cellule del nostro corpo e quindi causare

malattie autoimmuni). Tuttavia, questo processo non funziona sempre, e perciò si possono

presentare casi di malattie autoimmuni come l’artrosi.

Nel sistema nervoso vengono eliminati i neuroni che non sono stati in grado di trovare il

loro bersaglio.

Questo sistema di morte cellulare programmata prende il nome di apoptosi, termine

derivante dal greco e che significa “caduta delle foglie” : come la foglia va incontro a morte

perché si stacca autonomamente dalla pianta e non riceve più i nutrienti, anche la cellula

muore.

Apoptosi

L’apoptosi è un processo molto diverso dalla necrosi, perché consiste nella distruzione

della struttura cellulare. Il nucleo viene frammentato e vengono distrutti anche altri

organelli, come il citoscheletro. I vari frammenti della cellula sono poi tipicamente fagocitati

dalle cellule vicine.

Ci sono diversi modi secondo cui si può ottenere l’apoptosi, tra qui quella mitocondriale,

ed è generalmente indotta da un processo che richiede la produzione di specifici geni: si

può bloccare la morte cellulare programmata bloccando la trascrizione di questi geni.

L’apoptosi è quindi un processo attivo ( richiede l’attivazione di fattori che la promuovano).

Apoptosi mitocondriale

Alcuni fattori che inducono l’apoptosi agiscono anche sui mitocondri, che contengono

citocromo C, un componente della catena respiratoria. In una cellula normale il citocromo

C si lega all’interno del mitocondrio (al microscopio a fluorescenza il mitocondrio appare

rosso, il citocromo C appare verde, e quando si lega al mitocondrio appare giallo, per

sovrapposizione dei due colori).

Il professore mostra ora un’immagine a microscopio a fluorescenza, in cui si può

esaminare la struttura del mitocondrio (in rosso), e quella del citocromo C (in verde), in

una cellula normale ed in una che ha appena subito apoptosi.

(Tale immagine può essere osservata nelle slide che il professore fornirà).

Quando si induce l’apoptosi si osserva che il citocromo C, che è in verde, esce fuori dal

mitocondrio ed è liberato nel citoplasma, perché si vengono a formare dei pori sulla

membrana mitocondriale esterna diversi dalle porine normalmente presenti sulla

membrana.

Questi nuovi pori sono sufficientemente larghi da far passare varie proteine contenute

nello spazio intramembrana, tra cui il citocromo C.

Normalmente le proteine che formano questi pori sono già presenti sulla membrana del

mitocondrio, ma le cellule possiedono delle proteine anti-apoptotiche che bloccano la

formazione di tali pori.

L’induzione dell’apoptosi si ha quando vengono attivate delle altre proteine che inibiscono

il fattore anti-apoptotico, che quindi non è più capace di inibire la formazione di questi

canali e perciò i componenti (le subunità) che li compongono possono polimerizzarsi

portando alla fuoriuscita del citocromo C e di altri fattori.

La cellula non muore a causa della mancanza di fosforilazione ossidativa, dovuta

all’assenza di citocromo C, ma muore a causa della degradazione di tutti i componenti

cellulari, come la dissociazione del nucleo: ciò dipende dall’attivazione di una serie di

proteine dette caspasi.

Il citocromo C porta alla formazione di una struttura molto complessa che è un polimero

della proteina APAF che polimerizza solo se legata al citocromo C: dopo averlo legato

cambia conformazione e viene liberato un dominio. Molte di queste proteine, tra loro unite,

formano un polimero, che si chiama apoptosoma.

L’apoptosoma si associa alla proteina caspasi 9 (una proteasi, ovvero una proteina che è

in grado di tagliare il legame peptidico di altre proteine e di degradarle).

La caspasi 9 si attiva solo se associata all’apoptosoma e taglia molte proteine, tra cui altre

caspasi: ciò non porta alla loro degradazione, bensì alla loro attivazione.

In sintesi ciò che succede dopo il rilascio del citocromo C, è il rilascio di una serie di

proteasi nella cellula che tagliano i componenti del citoscheletro e la cellula stessa, non

più sostenuta, perde la sua integrità e va incontro alla propria distruzione (il genoma

stesso va incontro a rottura a causa dell’attivazione di nucleasi e a causa della rottura

fisica del nucleo) e quindi la cellula muore.

…e altre strutture, come ad esempio i lisosomi derivino da invaginazioni della membrana

plasmatica di un antenato comune.

Molto diverso è il caso dei mitocondri: negli anni ’50 si pensava che anch’essi derivassero

da invaginazioni della membrana plasmatica dell’antenato procariote, delle cellule

eucariote.

In seguito si è imposta la teoria dell’endosimbiosi, che postula: in qualche momento

della storia evolutiva dei procarioti, ci sia stata un’associazione simbiotica, quindi

vantaggiosa per due organismi differenti, tra l’antenato della cellula, quello che ha poi dato

origine al nucleo, e un batterio che era capace di produrre ATP utilizzando l’ossigeno. (non

è una caratteristica di tutti i batteri, ne esistono molti anaerobi che non sono in grado di

utilizzare l’ossigeno.)

L’idea è che questa associazione si sia poi evoluta, tantoché il batterio aerobio inseritosi si

sia impoverito di geni, parte di suoi geni gli siano stati sottratti e incamerati dal nucleo della

cellula. In questo processo un batterio simbionte ha perso la sua individualità ed è

diventato un organello, il mitocondrio. In effetti, esistono tutt’oggi protozoi, con mitocondri,

che hanno un genoma mitocondriale molto ricco che codifica per tutta una serie di

proteine, che non esistono nei mitocondri animali o delle piante; vedremo il genoma del

mitocondrio umano, che codifica per un piccolo numero di proteine, tra cui quelle della

catena del trasporto degli elettroni, oltre che parte dell’ATP-sintasi.

Parleremo di come all’interno delle cellule le proteine vengono prodotte e smistate nei vari

compartimenti membranosi.

Sintesi proteica (rapido excursus, per capire le successive spiegazioni.)

Avviene nei Ribosomi, organelli che nella TEM(microscopia elettronica a trasmissione,

usato d’ora in poi, ndr) appaiono come piccole macchie nere, presenti sulla superficie del

reticolo endoplasmatico o dispersi nel citosol.

Sono costituiti da due subunità, la subunità piccola e la subunità grande.

Tipica rappresentazione mostra il ribosoma con la subunità piccola sormontata da una

sorta di cupola, che è la subunità grande.

Sono delle particelle ribonucleoproteiche, costituite da un insieme di proteine, che si

legano a uno scheletro composto da RNA.

Esistono due tipi di ribosomi: -mitocondriali, nella matrice;

-citosolici o associati al reticolo endoplasmatico.

Quelli mitocondriali sono affini al ribosoma procariotico, particella a 70s, mentre il

ribosoma eucariotico, quello nel citosol, è a 80s, è più grande rispetto a quello

procariotico.

Le due subunità - nei procarioti: piccola 30s, grande 50s

- negli eucarioti: piccola 40s, grande 60s

La piccola contiene sempre una molecola di RNA, 16s nei procarioti e 18s negli eucarioti.

La grande contiene due molecole di RNA nei procarioti (23s e 5s) e ne contiene tre negli

eucarioti (28s, 5s, 5,8s)

Anche il numero di proteine associate a questi RNA varia, non solo per il numero di

subunità, ma anche per il tipo dei ribosomi, se mitocondriali o citosolici.

Le funzioni che svolgono questi tipi di ribosomi non sono nettamente distinte: svolgono la

stessa funzione. Il flusso dell’informazione: informazione immagazzinata nel DNA, nel

nucleo della cellula, o nel cromosoma mitocondriale, viene trascritta in RNA messaggero

(mRNA) e viene trascritta, utilizzando il codice genetico, che è degenerato, viene

trasformata in proteina.

Il codice genetico: vengono lette le basi azotate a gruppi di tre, triplette, sull’mRNA, e

tradotte in un amminoacido. Diverse triplette codificano per più di un amminoacido, per

questo il codice genetico è detto degenere; UUU e UUC vengono lette come una

fenilalanina, la Leucina ne ha addirittura sei che non sono nemmeno molto simili. Le

triplette vengono dette codoni, perché codificano per un amminoacido. Esistono delle

particolari triplette, che fermano la traduzione, dette triplette di stop.

Il codice genetico è universale, perché lo stesso codice funziona sia nei batteri che vivono

nel nostro intestino sia nelle nostre cellule, ma non è assoluto; paradossalmente non

funziona nei mitocondri, che hanno un codice genetico che assomiglia a questo, ma non è

identico. I mitocondri, dovendo codificare per poche proteine, per la legge della deriva

genetica, i sistemi di controllo sono diventati meno raffinati e si è quindi perso il

mantenimento di questo codice, man mano che venivano persi geni all’interno di questi.

Tanto più che il codice genetico mitocondriale non è uguale in tutti gli organismi; il codice

genetico dei mitocondri del lievito è più simile al codice genetico originale, rispetto a quello

dei mitocondri umani.

Funzionamento traduzione

La traduzione avviene nei ribosomi, che ospitano l’mRNA al loro interno, come se fossero

le due parti di una tenaglia, e come un filo l’mRNA scorre tra le due subunità. Man mano

che scorre, il ribosoma si posiziona su codoni differenti e permette l’aggiunta, passo dopo

passo, di amminoacidi, a partire dal primo, che è sempre una metionina; alla fine il

ribosoma arriva al codone di stop, non si lega più nessun amminoacido, avviene il

processo di terminazione della traduzione e il ribosoma si stacca, dissociando le due

subunità. Tipicamente, mentre un ribosoma sta arrivando verso la fine della traduzione,

sull’altra parte dell’mRNA sono posizionati altri ribosomi che stanno procedendo

all’operazione di traduzione; alcuni stanno partendo, nella fase di inizio, altri stanno

allungando la catena.

L’aggiunta del giusto amminoacido alla catena avviene grazie al legame della molecola di

mRNA a un’altra molecola di RNA, l’RNA transfer (tRNA). I tRNA sono corti e hanno la

capacità di formare delle regioni a doppia elica, alcune parti formano delle anse, a forma di

forcina. La parte sulla cima di quest’ansa, chiamata anticodone è quella che riconoscerà il

codone sull’mRNA: ha tre nucleotidi che si appaieranno, secondo legami di Watson e

Crick, con i nucleotidi presenti sulla tripletta che codifica per l’amminoacido.


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18

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3.93 MB

AUTORE

peppotta

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Esame: Citologia
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia 1 (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher peppotta di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Citologia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Zavan Valeria.

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