Struttura del Mitocondrio Due membrane

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1 Mitocondri

2 Mitocondri

3 Mitocondri Organello con doppia membrana micron di larghezza, fino a 10 micron di lunghezza Principale centrale energetica della cellula Produce molecole ad alto contenuto di energia: ATP ATP prodotto tramite il processo della respirazione cellulare

4 Mitocondri

5 Struttura del Mitocondrio Due membrane Membrana esterna Membrana interna che si ripiega all interno Forma dellle creste

6 Composizione molecolare Molto ricco in proteine, anche nelle membrane dove formano sia pori che complessi enzimatici. Presenza di DNA e RNA

7 Membrana esterna regola: 1. entrata e uscita di molecole di piccola e media taglia Proteine simili alle porine dei batteri

8 Membrana esterna regola: 2. entrata di proteine Le traslocasi TOM e TIM permettono l entrata di proteine con specifiche sequenze segnale mitocondriale sequenza segnale rimossa

9 Membrana esterna regola: 3. interazione e movimento lungo il citoscheletro Mitocondri Filamenti di Actina

10 Membrana interna presenta gli enzimi per la respirazione cellulare

11 La matrice è sede di molte attività enzimatiche (ciclo di Krebs, sintesi proteica ) e contiene il DNA mitocondriale ciclo di Krebs

12 DNA mitocondriale Nel mitocondrio ci sono circa 3000 proteine ma molte sono codificate da geni nucleari Codice genetico simile ai batteri mtdna ereditato per via materna

13 I mitocondri sono entità dinamiche: Possono cambiare in numero, forma e nella struttura delle creste

14 Divisione Mitocondri si dividono per semplice scissione Non è collegata solo alla divisione cellulare ma avviene continuamente, in dipendenza dalla loro attività metabolica e dalla presenza di mitocondri danneggiati Fusione e Fissione

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16 Fusione: Mitofusina 1 e 2 (membrana esterna) OPA1 (Membrana interna) Fissione: DRP1/Dnm1l (famiglia delle dinamine) Fis1 (associata alla membrana esterna)

17 Fusione e Fissione Wild type Mitofusin mutant

18 Altre varianti nella morfologia Creste differiscono per lunghezza, forma e numero a seconda delle esigenze energetiche della cellula Nella maggioranza delle cellule le creste attraversano metà del mitocondrio. Creste corte significa poca richiesta di energia Cellule muscolari: creste attraversano tutto il mitocondrio e hanno tantissime creste stipate Più creste rappresentano più richiesta di produrre energia

19 Mitocondri con diversa morfologia Condensati-alti livelli di fosforilazione ossidativa Ortodossi-bassi livelli di fosforilazione ossidativa

20 Nella maggior parte dei mitocondri le creste sono arrangiate in ripiani Nelle cellule secernenti steroidi abbiamo Creste Tubulari

21 Attività metaboliche del mitocondrio

22 Metabolismo energetico dei mitocondri Generare ATP molecola ad alto contenuto energetico tramite la degradazione di molecole carboniose (Zuccheri, Lipidi) ossidazione dei legami C-C e C-H: questo permette il trasferimento di elettroni (energia) a trasportatori per generare ATP ADP + P i + 7,3 Kcal = ATP C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O+ 680Kcal

23 Metabolismo energetico dei mitocondri

24 Metabolismo energetico dei mitocondri Come viene degradato il glucosio Glicolisi (nel citosol) Ciclo di Krebs o degli acidi tricarbossilici (nella matrice) Fosforilazione ossidativa (nella membrana interna)

25 Glicolisi (nel citosol) 1 Glucosio (6C) 2 Piruvato (3C) 2 ATP 2 NADH Senza ossigeno Con ossigeno

26 Nicotinammide adenina dinucleotide NADH Flavin-adenin-dinucleotide FADH2 Coenzimi ossidoriduttivi: accettano e cedono protoni ed elettroni.

27 Ciclo di Krebs o degli acidi tricarbossilici (nella matrice) 1 Piruvato (3C) 3 CO2 (1C) 1 FADH 2 4 NADH 1 ATP 1 Coenzima A

28 Come intrappolare l energia prodotta dalla degradazione di zuccheri o lipidi? Fosforilazione Ossidativa Il processo tramite cui i metaboliti cellulari sono convertiti in ATP Usa elettroni e protoni provenienti dalle reazioni biochimiche (ciclo di Krebs) Avviene nella membrana interna tramite il sistema di trasporto degli elettroni Enzima chiave ATP-sintetasi Utilizza H+ gradiente per generare ATP

29 Fosforilazione ossidativa (nella membrana interna)

30 Fosforilazione ossidativa (nella membrana interna) Si utilizzano le molecole di NADH e FADH2 prodotte nella glicolisi e nel ciclo di Krebs Cedono elettroni alla catena respiratoria e ioni H+ nella matrice I complessi della catena respiratoria trasportano gli elettroni all ossigeno per produrre acqua Cambiamenti conformazionali indotti dal trasporto degli elettroni permettono ai complessi della catena respiratoria di far passare ioni H+ nello spazio intermembrana contro il gradiente di concentrazione

31 Fosforilazione ossidativa: ATP sintetasi

32 Glucosio (6C) 36 ATP Acido Palmitoico (16C) 108 ATP Intrappolato il 40% dell energia del glucosio

33 β-ossidazione degli acidi grassi Ciclo di Krebs

34 Mitocondri dove e quanti? La maggior parte dei mitocondri sono situati in punti della cellula dove è necessaria piu energia Le cellule hanno un numero molto variabile di mitocondri: dipende dalle necessità metaboliche e dai livelli di ossigeno Pochi mitocondri si trovano in cellule che operano sotto condizioni anaerobiche Alcuni muscoli, alcune cellule del sangue, alcuni epiteli Alcune cellule rimuovono i mitocondri negli stadi terminali del differenziamento (globuli rossi)

35 Cellule con pochi mitocondri Fibre muscolari scheletriche tipo II Fibre bianche Contrazione rapida Lavorano in condizioni di anaerobiosi (glicolisi) Epitelio della pelle (squamoso stratificato cheratinizzato) Specialmente le cellule che non si dividono più Hanno solo funzione protettiva

36 Energia prodotta principalmente attraverso glicolisi Anaerobiosi è un vantaggio Neutrofili Possono uccidere batteri ed eliminare residui in zone scarsamente ossigenate Tessuti infiammati o necrotici

37 Dove i mitocondri sono abbondanti Piu mitocondri si trovano in cellule che necessitano piu energia: Cellule con motilità (spermatozoi) Cellule che si contraggono (muscolo) Cellule con intenso lavoro metabolico (fegato)

38 Epatociti Cellule con abbondanza di vari organelli Fino a 1000 mitocondri per cellula Cellule molto attive metabolicamente Detossificano e producono bile

39 Contrazione continua richiede molto ATP Muscolo Cardiaco

40 Muscolo Scheletrico Alta richiesta di energia Specialmente le Fibre Rosse

41 ATP necessario per il movimento delle ciglia Ciglia aiutano il movimento del muco nella trachea e dell oocita nella tuba uterina Cellule cigliate

42 Terminale sinaptici dei neuroni Vescicole contengono i neurotrasmettitori Mitocondri forniscono l energia per l attività sinaptica

43 Coda dello spermatozoo Flagello permette il movimento dello spermatozoo per raggiungere l oocita Richiede ATP per il movimento FH 18.7

44 Altre funzioni del mitocondrio Metabolismi dei lipidi: - beta-ossidazione degli acidi grassi, - alcuni eventi nella sintesi di ormoni steroidei - sintesi di alcuni fosfolipidi (fosfatidil glicerolo e cardiolipina) Metabolismo degli aminoacidi Fosforilazione dei nucleosidi Omeostasi del calcio: connessioni tra mitocondri e RE Regolazione della morte cellulare programmata Produzione di calore: disaccoppiamento tra gradiente protonico e sintesi di ATP

45 T. Adiposo bruno (animali in letargo) Produzione di calore dovuta alla presenza di numerosi mitocondri Il calore viene quindi trasmesso ai capillari sanguigni circostanti

46 Granuli nella Matrice Sono accumuli di fosfato di calcio Aiutano a mantenere bassi livelli di calcio (Ca 2+ ) nel citosol

47 Regioni specifiche di contatto dell RE con i mitocondri (ER-Mitochondria Associated Membranes, MAM) - È stato dimostrato che questi contatti sono coinvolti in eventi molto importanti per la fisiologia non solo del mitocondrio, ma di tutta la cellula MAM - le funzioni meglio caratterizzate riguardano il trasferimento di lipidi e le dinamiche del calcio

48 Perossisomi

49 Perossisomi Struttura simile ai Lisosomi Membrana singola Abbondanti nel fegato e rene Originano da vescicole del RE Consumano ossigeno per reazioni di ossidazione producendo perossido d idrogeno H 2 O 2 Degradano il perossido di idrogeno (H 2 O 2 ) in reazioni di detossificazione

50 Funzioni dei perossisomi Ossidano macromolecole generando perossido d idrogeno β-ossidazione degli acidi grassi: Genera molecole che sono esportate nel citosol e utilizzate dalla cellula per nuova sintesi di lipidi o per produrre energia ΝΒ.: β-ossidazione avviene anche nei mitocondri

51 Malattie associate a difetti della β- ossidazione che avviene nei perossisomi: ADRENOLEUCODISTROFIA LEGATA AL CROMOSOMA X Accumulo di dell'acido grasso saturo C26:0, acido cerotico, nel sangue che danneggia la mielina. I pazienti hanno gravi disfunzioni neurologiche Olio di Lorenzo: l'acido erucico (C22:1) e l'acido oleico (C18:1)

52 Funzioni dei perossisomi Detossificazione diverse molecole nocive ingerite (alcol etilico, alcol metilico, fenoli, nitriti) o prodotte nella cellula (specie reattive dell ossigeno) H 2 O 2 +CH 3 -CH 2 -OH ->CH 3 -CH+2H 2 O alcol etilico + perossido acetaldeide + acqua Catalasi trasforma anche il perossido di idrogeno in acqua = O

53 Funzioni dei perossisomi Presenta enzimi importanti nella sintesi del plasmalogeno (fosfolipide della mielina) e degli acidi biliari.

54 La biogenesi dei perossisomi Vescicole con la proteina Pex3p si distaccano dal Reticolo Endoplasmatico. Le altre proteine dei perossisomi arrivano dal citoplasma. Il segnale peptide per la destinazione ai perossisomi è spesso una sequenza al carbossi-terminale della proteina (Ser-Lys-Leu: S-K-L) che non viene rimosso al termine del trasferimento. Alcune proteine contengono invece come segnale una sequenza all aminoterminale di oltre 20 aminoacidi. In questo caso il segnale al termine del trasferimento viene rimosso.