La respirazione aerobica e il mitocondrio

LA RESPIRAZIONE AEROBICA E IL MITOCONDRIO

Anaerobi: organismi che catturano e utilizzano l’energia attraverso meccanismi metabolici indipendenti

dall’ossigeno.

Aerobi: organismi dipendenti dall’ossigeno.

Negli eucarioti, l’utilizzo dell’ossigeno come meccanismo per estrarre energia ha luogo in un organello

specializzato, il mitocondrio.

I mitocondri sono abbastanza grandi da risultare visibili al microscopio ottico. Possono apparire come

singole entità con una forma a fagiolo, con un diametro variabile tra circa e µm di lunghezza. In altri casi, i

mitocondri possono presentarsi come reticoli tubulari fortemente ramificati ed interconnessi. Essi sono

organelli dinamici la cui forma può essere modificata drasticamente. Circa il 15-20% del volume cellulare di

una tipica cellula del fegato di mammifero è occupata da mitocondri e quest’ultimi contengono più di mille

differenti proteine. Questi organelli sono meglio conosciuti per il loro ruolo nel generare l’ATP che è usato

per guidare la maggior parte delle attività della cellula che richiedono energia. Per svolgere questa funzione, i

mitocondri sono associati spesso con goccioline d’olio contenenti acidi grassi, da cui derivano materiali

grezzi da ossidare. Il metabolismo energetico è stato l’argomento di principale interesse nello studio dei

mitocondri, ma questi organelli sono coinvolti anche in altre attività non strettamente correlate al

metabolismo energetico. Per esempio, i mitocondri rappresentano i siti di sintesi di numerose sostanze, come

certi amminoacidi e i gruppi eme. I mitocondri giocano anche un ruolo di vitale importanza nella cattura e

rilascio degli ioni calcio. Anche il processo di morte cellulare è regolato in gran parte da eventi che si

verificano a livello dei mitocondri. Il margine esterno del mitocondrio contiene due membrane: la membrana

mitocondriale esterna e la membrana mitocondriale interna. La membrana mitocondriale sterna racchiude

completamente il mitocondrio e ne rappresenta il confine esterno. La membrana mitocondriale interna è

suddivisa in due domini interconnessi. Uno di questi domini, chiamato membrana delimitante interna, si

estende appena sopra l’altra membrana mitocondriale, formando un rivestimento esterno a doppia

membrana. La membrana delimitante interna è particolarmente ricca di proteine implicate nell’importo di

proteine mitocondriali. L’altro dominio della membrana mitocondriale interna si estende verso l’interno

dell’organello con una serie di invaginazione membranose, chiamate creste. Le creste generano una

superficie di membrana molto grande che ospita i componenti richiesti per la respirazione aerobica e la

produzione di ATP. La membrana delimitante interna e le membrane delle creste sono unite l’una alle altre

con sottili connessioni, chiamate giunzioni delle creste. Le membrane mitocondriali dividono questo

organello in due compartimenti ripieni di fluido, uno al centro del mitocondrio, detto matrice, e un secondo

tra membrana esterna e membrana interna, detto spazio intermembrana. La matrice ha consistenza di gel,

dovuta ad un’alta concentrazione di proteine idrosolubili. Le proteine dello spazio intermembrana sono

meglio conosciute per il loro ruolo nell’iniziare il processo di morte cellulare programmata. La membrana

esterna è formata per circa il 50%da lipidi e contiene una curiosa miscela di enzimi interessati ad attività

estremamente diverse, come l’ossidazione dell’adrenalina, la degradazione del triptofano e l’allungamento

degli acidi grassi. La membrana interna, invece, contiene più di 100 diversi tipi di polipeptidi ed ha un alto

rapporto proteine/lipidi. È praticamente priva di colesterolo e ricca di un insolito fosfolipide, la cardiolipina.

La cardiolipina svolge un ruolo importante nel facilitare l’attività delle proteine coinvolte nella sintesi di

ATP. Si ritiene che la membrana mitocondriale esterna sia derivata dalla membrana esterna che fa parte della

parete cellulare in alcune cellule batteriche, poiché ambedue le membrane contengono porine, proteine

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integrali che formano ampi anali circondati da una palizzata di foglietti . Le porine della membrana

mitocondriale esterna non sono strutture statiche ma sono in grado di chiudersi reversibilmente a seconda

delle condizioni della cellula. Quando i canali delle porine sono ben aperti, la membrana esterna è

permeabile e, praticamente, tutte le molecole e tutti gli ioni hanno bisogno di trasportatori specifici per

entrare all’interno delle matrice. La matrice mitocondriale contiene ribosomi e parecchie molecole di DNA a

doppio filamento, solitamente circolari. Quindi, i mitocondri possiedono un loro materiale genetico, anche se

limitato, e i macchinari per sintetizzare i loro RNA e proteine. Questo DNA non cromosomico è importante

perché codifica per un piccolo numero di polipeptidi mitocondriali che vengono integrati nella membrana

mitocondriale interna insieme a polipeptidi codificati da geni che risiedono nel nucleo. Il DNA mitocondriale

umano codifica anche per 2 RNA ribosomiali e per 22 tRNA che vengono utilizzati per la sintesi proteica

all’interno dell’organello. Il DNA mitocondriale sembra essere l’eredità di un singolo batterio aerobico che si

è stabilito nel citoplasma di una cellula primitiva, diventata poi un antenato di tutte le cellule eucariotiche.

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L’RNA polimerasi mitocondriale è un enzima costituito da una singola subunità, simile per molti aspetti a

quella di alcuni virus batterici dai quali sembra essersi evoluta.

A cominciare da glucosio, le prime tappe del processo di ossidazione vengono attuate dagli enzimi della

glicolisi, localizzati nel citosol. Solo una piccola porzione dell’energia liberata contenuta nel glucosio viene

resa disponibile per la cellula durante la glicolisi, abbastanza per la sintesi netta di due molecole di ATP per

molecola di glucosio ossidata. La maggior parte dell’energia resta immagazzinata nel piruvato. Ogni

molecola di NADH che si forma durante l’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato porta con sé anche una

coppia di elettroni ad alta energia. I due prodotti finali della glicolisi (piruvato e NADH) possono essere

metabolizzati in due modi diversi, a seconda della presenza o assenza di ossigeno. In presenza di ossigeno,

gli organismi aerobi sono in grado di estrarre grandi quantità di energia addizionale dal piruvato e dal NADH

prodotti dalla glicolisi, tanto da sintetizzare 30 molecole di ATP. Questa energia è prodotta nei mitocondri. Le

molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi sono trasportate attraverso la membrana mitocondriale interna

nella matrice, dove vengono decarbossilate per formare gruppi acetile a due atomi di carbonio (-CH3COO2).

Il gruppo acetile forma poi un complesso con il coenzima A. La decarbossilazione del piruvato e il

trasferimento del gruppo acetile al CoA sono catalizzati dal complesso della piruvato deidrogenasi.

I mitocondri vengono spesso descritti come centrali energetiche in miniatura. Essi estraggono energia da

materiali organici e le immagazzinano temporaneamente sotto forma di energia elettrica. Più esattamente,

l’energia estratta dai substrati viene utilizzata per produrre un gradiente ionico tra i due lati della membrana

mitocondriale interna. Esso rappresenta una forma di energia che può essere sfruttata per produrre lavoro. I

mitocondri utilizzano il gradiente tra i due lati della membrana interna per attuare diverse attività che

richiedono energia, la più notevole delle quali è la sintesi dell’ATP. Quando la formazione dell’ATP è dovuta

all’energia che è liberata dagli elettroni rimossi durante l’ossidazione di substrati, il processo è detto

fosforilazione ossidativa. Essa va distinta dalla fosforilazione a livello di substrati nella quale si forma ATP

direttamente per trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola di substrato all’ADP. Se si mettono a

confronto vari agenti ossidanti, si osserva che essi possono essere ordinati secondo la loro affinità per gli

elettroni: tanto è maggiore l’affinità, tanto è più forte l’agente ossidante. Anche gli agenti riducenti possono

essere ordinati secondo la loro affinità per gli elettroni: tanto minore è l’affinità, tanto più forte è l’agente

riducente. Per tradurre in termini quantificabili, gli agenti riducenti vengono classificati secondo il loro

potenziale di trasferimento di elettroni; le sostanze che hanno un alto potenziale di trasferimento di elettroni,

come il NADH, sono forti riducenti, mentre quelle con un basso potenziale, come l’H2O sono riducenti

deboli. Gli agenti ossidanti e quelli riducenti vanno a coppe, come il NAD+ e il NADH. Ciò che viene

misurato per una determinata coppia è un potenziale di ossido-riduzione o potenziale redox .

La catena di trasporto degli elettroni è formata da cinque tipi di trasportatori di elettroni legati alla

membrana. Con l’eccezione dell’ubichinone, tutti i centri redox che accettano e cedono elettroni nella catena

respiratoria sono gruppi prostetici , cioè composti di natura non amminoacidica associati a proteine.

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 Le flavoproteine consistono in un polipeptide strettamente legato ad uno di due gruppi prostetici

simili, il flavin adenin dinucleotide (FAD) e il flavin mononucleotide (FMN). Le principali

flavoproteine dei mitocondri sono la NADH deidrogenasi della catena di trasporto degli elettroni e la

succinato deidrogenasi del ciclo degli ATC.

 I citocromi sono proteine che contengono gruppi eme. Nella catena di trasporto degli elettroni sono

presenti almeno tre specie di citocromi a, b, c, differenti l’uno dall’altro per sostituzioni nel gruppo

eme.

 Tre atomi di rame , inseriti in un unico complesso proteico della membrana mitocondriale interna,

accettando e donando un singolo elettrone alla volta, alternandosi tra gli stati di ossidazione Cu++ e

Cu+

 L’ubichinone è una molecola liposolubile contenente una lunga catena idrofobica formata da cinque

subunità isoprenoidi. Ogni ubichinone è capace di accettare e donare due elettroni e due protoni. La

molecola parzialmente ridotta è il radicale libero ubisemichinone, quella completamente ridotta è

l’ubichinolo (UQH2).

 Le proteine ferro-zolfo son proteine contenenti ferro in cui gli atomi di ferro non sono posti

all’interno di un gruppo eme, ma sono invece legati strettamente ad atomi di zolfo inorganico come

parte di un centro ferro-zolfo.

I trasportatori della catena degli elettroni sono disposti spazialmente in ordine di potenziale redox

crescente. Ogni trasportatore è ridotto dall’acquisto di elettroni dal trasportatore precedente e,

successivamente, è ossidato dalla cessione di