I MITOCONDRI
E
L’OMEOSTASI CELLULARE
IL MITOCONDRIO HA UN RUOLO CENTRALE NELLA VITA
(E NELLA MORTE) DI OGNI CELLULA
IDENTIKIT
STRUTTURA MOLECOLARE
✓ Numero
✓ Dimensione
✓ Forma
✓ Localizzazione/Distribuzione
✓ Mobilita’
✓ Ultrastruttura
✓ Composizione chimica
✓ Composizione molecolare
FUNZIONI
SEMIAUTONOMIA
✓ Caratteristiche strutturali
✓ Trasporto di proteine nel mitocondrio
✓ Evoluzione
✓ Sintesi di ATP
✓ Metabolismo (biosintesi dell’eme, sintesi di
ormoni, β-ossidazione acidi grassi, rimozione
ros, ciclo urea)
✓ Serbatoio di calcio
✓ Regolazione dell’apoptosi
MALATTIE
EREDITA’ MITOCONDRIALE
MALATTIE EREDITARIE
MALATTIE NON EREDITARIE
La teoria endosimbiontica sostiene che i mitocondri
sono derivati da batteri in grado di respirare
L’IDENTIKIT DEL MITOCONDRIO
✓ Forma e Dimensione: allungati o sferici (0.5-1μ in )
✓ Numero: molto variabile
. uno solo in alcune alghe unicellulari
. decine di migliaia negli ovociti
. Pochi in cellule che lavorano in condizioni di
anaerobiosi
. nella maggior parte delle cellule da 500 a 1000
Network
mitocondriale
dinamico
La distribuzione dei mitocondri non è casuale: si
addensano dove c’è maggiore richiesta di energia
Neuroni pre-sinaptici
✓ Localizzazione/Distribuzione
L’analisi ultrastrutturale dei mitocondri rivela la
presenza di 4 compartimenti
✓ Ultrastruttura
Le creste sono introflessioni della membrana interna
Le creste possono essere corte e
trasversali rispetto all’asse maggiore del
mitocondrio o allungate e parallele, a
secondo dei tessuti.
Le creste mitocondriali sono strutture altamente
specializzate
Le creste differiscono in
lunghezza, forma e numero, a
seconda delle richieste
energetiche della cellula
Le variazioni morfologiche delle creste riflettono la
funzionalità dei mitocondri e, quindi, il metabolismo
della cellula
FEGATO
CRESTE
LONGITUDINALI
MUSCOLO
La membrana esterna ha una struttura simile alla
membrana plasmatica
Complesso
TOM
Complesso
TIM23
Complesso
TIM22
La membrana interna differisce da quella esterna
ed ha un elevato contenuto di proteine
non contiene colesterolo, è ricca del fospolipide cardiolipina
Contiene tre tipi di proteine:
i) proteine della catena respirtoria
ii) il complesso multi-enziamtico dell’ATP sintetasi
iii) trasportatori di metaboliti (acidi di- e tricarbossilici,
ADP, ATP)
iv) Complesso TIM
La matrice contiene in forma solubile un elevato
numero di enzimi e metaboliti
enzimi del ciclo di Krebs
DNA, ribosomi
DNA e RNA polimerasi
Sali di calcio
metaboliti
metabolici)
(ADP,
ATP,
AcCoA,
vari
intermedi
I mitocondri possiedono un genoma proprio, ma
sono organelli semiautonomi
✓ DNA circolare è presente in numerose
copie in ogni mitocondrio
Cellule di Lievito
Cellule di Mammifero
Il DNA mitocondriale (mtDNA) è circolare ed è trasmesso
per via materna
Il mtDNA umano è costituito da 16569 paia di basi e contiene 37 geni che
codificano per:
13 proteine (coinvolti nella produzione di proteine necessarie alla respirazione
cellulare)
22 tRNA
2 rRNA
CARATTERISTICHE DEL GENOMA MITOCONDRIALE
- Ha un denso compattamento dei geni
- Uso rilassato del codice
Nei mitocondri molti tRNA riconoscono un nucleotide
qualunque nella terza posizione del codone
C
U
C G A
- codice genetico variante
4 dei 64 codoni del codice genetico vengono decodificati in modo
diverso rispetto agli altri genomi
Il DNA mitocondriale viene trascritto e tradotto, codifica per
geni
I MITOCONDRI SONO ORGANELLI SEMIAUTONOMI
- CONTENGONO UN DNA DISTINTO DA QUELLO NUCLEARE
IL DNA E’ FUNZIONANTE: SI REPLICA, VIENE TRASCRITTO,
CODIFICA PER GENI
- SONO CAPACI DI SINTESI PROTEICA AUTONOMA
L’INTERO APPARATO DI SINTESI PROTEICA E’ DIFFERENTE DA
QUELLO CITOPLASMATICO. TUTTAVIA IMPORTANO DAL
CITOSOL LA MAGGIOR PARTE DELLE PROTEINE
- SI DIVIDONO INDIPENDENTEMENTE DALLA MITOSI
I MITOCONDRI IMPORTANO DAL CITOSOL QUASI
TUTTE LE PROTEINE
Le proteine
mitocondriali sono
codificate solo in
minima parte dal DNA
mitocondriale e sono
quelle localizzate
prevalentemente sulla
parte interna delle
creste.
I MITOCONDRI SONO LE CENTRALI
ENERGETICHE DELLE CELLULE
ADP + Pi
ATP
CICLO DI KREBS
DEGRADAZIONE DEL PIRUVATO E LIBERAZIONE DI
ELETTRONI AD ALTA ENERGIA.
CATENA RESPIRATORIA
TRASPORTO DI ELETTRONI E FORMAZIONE DI
UN GRADIENTE DI PROTONI.
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
SINTESI DI ATP DA ADP E FOSFATO GRAZIE ALLA
ENERGIA FORNITA DAL GRADIENTE PROTONICO.
IL PIRUVATO GENERATO DALLA GLICOLISI
ANAEROBICA VIENE DEGRADATO A CO2 ED H2O
NEI MITOCONDRI
1 Glucosio
32 ATP
Le diverse reazioni che si concludono con la formazione di
ATP avvengono in maniera precisamente localizzata nei
mitocondri.
✓ Ciclo di Krebs, catena respiratoria e fosforilazione osssidativa
avvengono in sub-compartimenti diversi dei mitocondri.
CICLO DI KREBS
La catena respiratoria: trasporto di elettroni e formazione
di un gradiente di protoni.
Il processo di trasferimento di e- dai coenzimi ridotti
all’ossigeno prende il nome di respirazione cellulare.
I due processi di respirazione cellulare e fosforilazione
ossidativa sono strettamente accoppiati
✓ se cessa il trasporto di e- cessa anche la sintesi di ATP, quando la
fosforilazione ossidativa non può procedere per mancanza di ADP si arresta il
trasporto di elettroni.
Il gradiente protonico elettrochimico attraverso la
membrana interna è usato per spingere la sintesi di
ATP
CATALISI ROTATORIA
Energia chimica è trasformata
in energia meccanica
L’ATP SINTETASI FUNZIONA COME UNA TURBINA
Il bilancio energetico della fosforilazione
ossidativa è molto favorevole
Le malattie dovute ad alterazioni del DNA mitocondriale
sono ad eredità materna
✓ SOLO LA MADRE TRASMETTE AI FIGLI UNA MUTAZIONE NEL mtDNA
✓ I MITOCONDRI SONO EREDITATI SOLO DALLA MADRE
✓ VI E’ UNA SOGLIA CRITICA PER L’ESPRESSIONE DEL FENOTIPO
✓ DIFFERENTI TESSUTI HANNO UNA DIFFERENTE ATTITUDINE A
RISENTIRE UN DANNO DI FUNZIONALITA’ MITOCONDRIALE:
SISTEMA NERVOSO>CUORE>MUSCOLO SCHELETRICO>
RENE>SISTEMA ENDOCRINO>FEGATO
IN OGNI CELLULA CI SONO MIGLIAIA DI COPIE DI
DNA MITOCONDRIALE
✓ OMOPLASMIA tutte le copie di mtDNA sono identiche
tra loro
✓ ETEROPLASMIA accanto a copie normali del genoma
mitocondriale coesistono nella stessa cellula copie in cui il
DNA reca delle mutazioni
Le mutazioni del DNA mitocondriale possono portare
ad un gran numero di malattie
exercise intolerance (intolleranza all’esercizio)
sindrome di Kearns-Sayre (KISS), che causa la perdita della piena
funzionalità nei movimenti di cuore, occhi e muscoli
neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON)
Epilessia mioclonica a fibre rosse “ragged-red” (MERRF)
Tessuto mscolare di individuo affetto da
MERRF dopo colorazione tricromica Gomori
L’alterazione dei mitocondri causano diverse
malattie dell’uomo
Malattie genetiche ereditarie
Malattie neurodegenerative
I perossisomi appaiono come organelli più o
meno densi agli elettroni
I perossisomi sono circondati
da una singola membrana e
non contengono DNA o
ribosomi
Hanno funzioni ossidative
svolte da enzimi presenti ad
alte concentrazioni nella loro
matrice
PLASTICITA’
Dipendente da:
Organismo
Tipo cellulare
Condizioni ambientale e sviluppo
I PEROSSISOMI SVOLGONO REAZIONI OSSIDATIVE
CATALIZZATE DA ENZIMI QUALI OSSIDASI E CATALASI
RH2 + O2
OSSIDASI
R + H 2O2
L’ H2O2 è utilizzata dalla catalasi per ossidare diversi substrati
R’H2 + H2O2
R + H 2O
CATALASI
2H2O2
2H2O + O2
Questa reazione è cruciale nelle cellule epatiche per detossificare
molecole tossiche nel sangue: ad es. etanolo ad acetaldeide
I PEROSSISOMI SVOLGONO ALTRE REAZIONE DI
DEGRADAZIONE, MA ANCHE DI SINTESI
✓ Altra reazione importante è la β-ossidazione attarverso cui le
catene di acidi grassi sono demolite a acetilCOA
✓ I perossisomi delle cellule
animali catalizzano la
formazione di PLASMALOGENI,
la classe più abbondante dei
fosfolipidi della mielina
Figure 12-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
