FUNZIONI DEI MITOCONDRI La funzione principale dei mitocondri è di compiere le trasformazioni energetiche indispensabili per le funzioni cellulari. Metabolismo energetico: insieme delle reazioni chimiche che liberano energia necessaria ai processi di biosintesi e alla produzione di lavoro, calore, elettricità, luce (bioluminescenza). Le reazioni esoergoniche (liberano energia) sono dette cataboliche metabolismo energetico; le reazioni endoergoniche (richiedono energia) sono dette anaboliche metabolismo biosintetico. L intermedio comune tra le reazioni che liberano e quelle che richiedono energia è l ATP (AdenosinTriFosfato) L ATP è un nucleotide costituito dalla base azotata adenina, il ribosio, uno zucchero pentoso (in blu nel disegno) e tre gruppi fosforici (in giallo), definiti rispettivamente α, β e γ L ATP ha la prerogativa di cedere facilmente (con l intervento di un solo enzima) le calorie contenute nel legame tra il secondo e il trezo gruppo fosforico, trasformandosi in una molecola scarica cioè l ADP (AdenosinDiFosfato). A sua volta l ADP può essere trasformato in ATP con fornitura di 7300 calorie, di un gruppo fosfato inorganico e in presenza di un enzima (ATP sintetasi (in grado di catalizzare anche la reazione inversa). ADP + Pi + 7300 cal ATP L ATP è l unica molecola energetica capace di essere utilizzata da tutti gli apparati cellulari; una volta utilizzata viene resa al citoplasma sotto forma di ADP. A questo punto intervengono i mitocondri: essi rastrellano le molecola di ADP e le restituiscono al citoplasma sotto forma di ATP. Per fare questo devono disporre di una fonte di energia: la prelevano dalla demolizione di molecole carboniose (zuccheri, grassi, proteine) i cui legami C-C o C-H sono ossidati a CO 2 e acqua, rilasciando in tal modo notevoli quantità di energia chimica.
Per esempio una mole di glucosio, se ossidata completamente a CO 2 e H 2 O, può cedere fino a 680 Kcal: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O+ 680 Kcal La cellula opera questa ossidazione i nvarie tappe principalmente tre, ciascuna caratterizzata da numerose reazioni: 1. glicolisi (nel citoplasma) 2. ciclo di Krebs (nei mitocondri) 3. fosforilazione ossidativa (nei mitocondri) Tutte le reazioni energetiche della cellula sono quindi legate a reazioni di ossidoriduzione, cioè al trasferimento di un atomo di idrogeno o di un elettrone da un composto a un altro. La sostanza che cede l idrogeno o l elettrone è detta RIDUCENTE, mentre quella che accetta l idrogeno o l elettrone è detta OSSIDANTE. I fenomeni ossidativi che avvengono nella cellula sono distinguibili in due gruppi: 1. anaerobio, in cui l ossidazione della sostanza ricca di energia è dovuta a un ossidante organico; 2. aerobio, in cui l ossidante è inorganico (nei mitocondri, che consumano O 2 e per questo sono detti organuli respiratori, e liberano CO 2 e H 2 O) GLICOLISI È la prima fase del processo di scissione del glucosio. Non richiede la presenza dell ossigeno. In questa fase le molecola di glucosio, ricche di energia, vengono scisse ognuna in due molecole più piccole e meno ricche di energia: ACIDO PIRUVICO (composto a 3 atomi di carbonio). Il passaggio da glucosio ad acido piruvico avviene attraverso una serie di reazioni, ognuna catalizzata da un diverso enzima. In tal modo l energia della molecola di glucosio è liberata poco per volta (le cellule possono conservarne l energia come energia chimica utilizzabile: se l energia venisse liberata tutta insieme, una notevole quantità di essa verrebbe trasformata in calore, che provocherebbe innalzamento della T e sarebbe impossibile da utilizzare). L energia liberata durante la glicolisi è immagazzinata nelle molecole di ATP. Una parte di energia è anche immagazzinata nelle molecole di NAD. Il rendimento energetico della glicolisi anaerobia (quando il piruvato, in assenza di attività mitocondriale, funge da accettore di idrogeno nella
riossidazione del NADH) è modesto: delle 680 Kcal ottenibili bruciando completamente una mole di glucosio a CO 2 e H 2 O ne vengono ricavate solo 56, di cui 32 perse come calore e 24 immagazzinate nelle 2 molecole di ATP e NADH che si formano nella fase fermentativa. Le rimanenti calorie restano nell acido piruvico. Tutte queste reazioni avvengono nel CITOPLASMA IN ASSENZA DI OSSIGENO. Ciò ha fatto ritenere che alla comparsa della vita sulla Terra, gli organismi primitivi usassero la glicolisi per procurarsi energia; attualmente esistono ancora organismi che possono vivere in ambienti privi di ossigeno, ad esempio i lieviti, responsabili della fermentazione alcoolica. Anche le cellule degli Eucarioti, in particolari condizioni e per brevi periodi, possono ricorrere alla glicolisi: ciò accade nelle cellule muscolari, in seguito a lavoro intenso; il rifornimento di ossigeno è insufficiente per l aumentata richiesta, e ciò esclude i mitocondri dalla ossidazione del piruvato. In tali condizioni le cellule non riescono a scindere il glucosio in biossido di carbonio e acqua, per cui si fermano all acido piruvico, che viene convertito in acido lattico. Nel muscolo si determina uno stato di intossicazione cellulare: la cellula quindi è costretta a produrre acido lattico anche a scapito della buona salute del corredo enzimatico; ciò avviene perché nella seconda fase della glicolisi la trasformazione della gliceraldeide-3-p in 1,3-difosfoglicerato è caratterizzata dalla riduzione di una molecola di NAD. Il NAD sottrae un idrogeno al substrato trasformandosi in NADH. Le riserve cellulari di NAD non sono infinite: perché la glicolisi possa procedere è necessario che il NADH sia riossidato a NAD. In condizioni aerobie (in presenza di attività mitocondriale) non c è problema; in assenza di ossigeno la cellula non ha trovato di meglio che riossidare il NADH a spese del piruvato (che, caricatosi dell idrogeno rilasciato dal NADH, si trasforma in lattato). La glicolisi può continuare ma l acido lattico si accumula e abbassa il ph citoplasmatico, rallentando diverse attività enzimatiche come quelle preposte alla fase di ristoro.
CICLO DI KREBS L acido piruvico, in PRESENZA DI OSSIGENO, si trasforma in radicale acetato, che a sua volta, legandosi al coenzima A, forma l acetil.-coa; questo composto attraversa le membrane mitocondriali e entra nella matrice, dove innesca il ciclo di Krebs (o degli acidi tricarbossilici, o dell acido citrico). Nella MATRICE l acetato viene decarbossilato e deidrogenato dai vari enzimi solubili contenuti nella matrice, con produzione di CO 2 e di coenzimi ridotti (NAHD E FADH 2 ). La partecipazione dell acetil-coa al ciclo è importante perché l acido acetico è anche uno dei prodotti della demolizione delle proteine e dei grassi. Per tale motivo anche proteine e grassi possono essere utilizzati come fonte di energia, infatti, nel citoplasma il piruvato, gli aminoacidi e gli acidi grassi vengono trasformati in acetato, che si lega al coenzima A che può essere ossidato dai mitocondri. Il ciclo inizia con l unione dell acetil-coa a una molecola di ossalacetato (composto a 4 atomi di C). Si forma l acido citrico (6 atomi di C) che, attraverso 7 reazioni, mediate da altrettanti enzimi, è smontato e dà luogo a un altra molecola di ossalacetato, liberando due atomi di C sotto forma di CO 2. Per ogni ciclo si producono due molecole di CO 2 a partire da altrettanti atomi di C facenti parte dell acetil-coa; l asportazione di elettroni ad alta energia da questa molecola si accompagna alla riduzione di 3 molecole del NAD e di una di FAD. Tramite l intermedio guanosintrifosfato (GTP) la reazione produce anche una molecola di ATP. Il ciclo non deve essere però considerato un ciclo energetico: la sua importanza è legata alla produzione di NADH e FADH 2, che per riossidarsi devono cedere idrogeno alla CATENA RESPIRATORIA, i cui componenti sono sulla MEMBRANA MITOCONDRIALE INTERNA. Nel corso di queste reazioni gli atomi di idrogeno che il NAD+ e il FAD+ avevano strappato ai substrati vengono scissi in protoni e elettroni. I protoni sono inviati nella camera esterna, e gli elettroni sono convogliati,
lungo la catena respiratoria, verso l ossigeno. L energia racchiusa nella differenza di potenziale tra camera esterna e camera interna del mitocondrio è usata per la conversione dell ADP in ATP: questo processo è detto fosforilazione ossidativa, mentre si chiama catena respiratoria il parallelo processo di trasferimento degli elettroni, da NADH e FADH 2 all ossigeno molecolare (con formazione di acqua come prodotto terminale). TRASPORTO DEGLI ELETTRONI E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Teoria CHEMIOSMOTICA: l energia necessaria per caricare una molecola di ADP trasformandola in ATP, deriva dal gradiente elettrochimico creatosi grazie alle differenze nella concentrazione di protoni tra le camere mitocondriali; l energia legata a tale gradiente verrebbe sfruttata da enzimi della membrana interna mitocondriale (ATPsintetasi o particelle F 1 ) per costruire ATP. Gli enzimi della catena respiratoria hanno il solo compito di pompare i protoni pervenuti con i NADH e i FADH 2, fuori della membrana mitocondriale (nella camera esterna). Il flusso protonico di ritorno mette in funzione le ATP sintetasi, fornendo l energia necessaria per compiere la trasformazione ADP ATP. Quindi la proprietà chiave dell enzima preposto alla fosforilazione
ossidativa è quella di poter utilizzare l energia di un gradiente di concentrazione protonica per trasferirla come energia di legame all ATP. Il flusso protonico è garantito dagli enzimi della catena respiratoria, capaci di espellere protoni attraverso la membrana stessa (impermeabile agli elettroni). Questi enzimi collegano i coenzimi ridotti (NADH e FADH 2 ) derivati dal ciclo di Krebs con l ossigeno molecolare introdotto con la respirazione; quest ultimo accetta elettroni e una parte dei protoni formando acqua. Ai due capi della lunga catena formata dagli enzimi respiratori si verifica un ampia caduta del potenziale di ossidoriduzione in quanto varia l affinità per gli elettroni durante il loro spostamento lungo la catena (da -320mV della miscela NADH-NAD+ ai +820mV della miscela terminale O 2 -H 2 O). Questa ddp che si traduce in una differenza di ph (acido nella camera esterna) mette in moto la pompa protonica e di conseguenza attiva la fosforilazione ossidativa. Ciò avviene perché l elevata concentrazione protonica esterna causa un flusso di protoni attraverso un canale polare scavato nella proteina F 0 ; tale proteina fa parte della membrana della creste mitocondriali e fa da base alla proteina F 1 (ATP-sintetasi). Il NADH trasportatore di protoni cede protoni all ossigeno molecolare introdotto con la respirazione nel mitocondrio riducendolo ad acqua; ciò comporta la cessione di energia (reazione esoergonica). NADH + H+ + ½ O 2 NAD + + H 2 O + 52,7 Kcal Grazie alle particelle F 0 -F 1 la reazione è accoppiata con la fosforilazione di 3 molecole di ADP, convertite in ATP. 3ADP + 3P + 21,9 Kcal 3ATP + 3 H 2 O
BILANCIO ENERGETICO MITOCONDRIALE Inefficienza della glicolisi La glicolisi (citoplasma) ricava appena 2 ATP e 2 NADH da una molecola di glucosio: è un meccanismo assai poco efficiente dal punto di vista energetico. Tutti gli organismi Eucarioti sono perciò provvisti di mitocondri, straordinari convertitori di energia, capaci di ricavare ben 36 ATP (di concerto con la glicolisi) da ogni molecola di glucosio. Vengono incorporate sotto forma di ATP ben 262,8 delle 680 Kcal potenzialmente presenti in questo zucchero (rendimento del 40%). La teoria simbiontica considera i mitocondri come discendenti di batteri aerobici, accettati stabilmente nel citoplasma eucariotico in quanto abilissimi trasformatori di
energia (in effetti nei batteri aerobici attuali si trovano tutti gli enzimi della glicolisi, quelli del ciclo di Krebs e quelli della catena respiratoria). Bilancio energetico 1. Dalla glicolisi citoplasmatica: 2 ATP e 2 NADH, oltre 2 molecole di piruvato che vengono avviate ai mitocondri. Le 2 ATP sono usate per il trasporto dei NADH alle creste mitocondriali. 2. Nella matrice mitocondriale gli enzimi del ciclo di Krebs ossidano le 2 molecole di acetato (derivate dal piruvato) liberando molecole di CO2 e producendo 2 ATP, 8 NAHD e 2 FADH 2. 3. Nella catena di trasporto degli elettroni sulle creste si ottengono 34 ATP (3 da ciascuna delle 10 molecole di NADH, 2 delle quali sono state prodotte durante la glicolisi, e 2 da ogni FADH 2 ) con liberazione di acqua. In totale quindi si formano 36 ATP da ciascuna molecola di glucosio.