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 CO2 e acqua, rilasciando in tal modo notevoli quantità di
energia chimica.
Per esempio una mole di glucosio, se ossidata completamente a CO2 e
H2O, può cedere fino a 680 Kcal: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O+ 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 O2 e per questo sono detti organuli respiratori, e liberano
CO2 e H2O)
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 CO2 e H2O 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 CO2 e di
coenzimi ridotti (NAHD E FADH2). 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 CO2.
Per ogni ciclo si producono due molecole di CO2 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 FADH2, 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 FADH2
all’ossigeno molecolare (con formazione di acqua come prodotto
terminale).
TRASPORTO
OSSIDATIVA
DEGLI
ELETTRONI
E
FOSFORILAZIONE
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 F1) per costruire ATP. Gli enzimi della catena
respiratoria hanno il solo compito di pompare i protoni pervenuti con i
NADH e i FADH2, 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 FADH2)
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 O2-H2O).
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 F0; tale proteina fa parte della membrana della creste
mitocondriali e fa da base alla proteina F1 (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 O2NAD+ + H2O + 52,7 Kcal
Grazie alle particelle F0-F1 la reazione è accoppiata con la fosforilazione di
3 molecole di ADP, convertite in ATP.
3ADP + 3P + 21,9 Kcal3ATP + 3 H2O
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 FADH2.
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 FADH2) con
liberazione di acqua.
In totale quindi si formano 36 ATP da ciascuna molecola di glucosio.
