I MITOCONDRI: LE CENTRALI ENERGETICHE DELLA CELLULA

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1 I MITOCONDRI: LE CENTRALI ENERGETICHE DELLA CELLULA

2 MITOCONDRIO OSSERVATO AL SEM

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4 Localizzazione dei mitocondri SONO IN GENERE PIÙ ABBONDANTI DELLE ZONE DELLA CELLULA CHE RICHIEDONO MAGGIORI QUANTITA DI ATP

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9 OLTRE CHE IL DNA, I MITOCONDRI CONTENGONO UN INTERO APPARATO GENETICO PER LA REPLICAZIONE DEL DNA E PER LA SINTESI PROTEICA L APPARATO GENETICO DEI MITOCONDRI È PIÙ SIMILE A QUELLO PROCARIOTE CHE A QUELLO EUCARIOTE IL CODICE GENETICO DEI MITOCONDRI NON È IDENTICO A QUELLO UNIVERSALE : ALCUNI CODONI CODIFICANO AMINOACIDI DIVERSI LA MAGGIOR PARTE DELLE PROTEINE MITOCONDRIALI VIENE IMPORTATA DAL CITOPLASMA

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11 CARATTERE EUCARIOTI PROCARIOTI MITOCONDRI QUANTITA DNA (BPS) MILIARDI MILIONI DECINE DI MIGLIAIA FORMA DNA LINEARE CIRCOLARE CIRCOLARE CROMATINA CON ISTONI SI NO NO GENI DISCONTINUI SI NO NO RNA POLIMERASI RIBOSOMI 80 S 70 S 70 S SEQUENZE RIPETITIVE SI NO NO

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14 CH O 2 CO 2 + H 2 0 LA COMBUSTIONE DEL METANO IL TRASFERIMENTO DI ELETTRONI DAL LEGAME CON UN ATOMO A BASSA ELETTRONEGATIVITA A QUELLO CON UN ATOMO MOLTO ELETTRONEGATIVO COME L OSSIGENO (OSSIDAZIONE) PORTA A LIBERAZIONE DI ENERGIA NELLA MAGGIOR PARE DEI CASI, LE OSSIDAZIONI CHE SI SVOLGONO NELLA CELLULA NON CEDONO GLI ELETRONI DIRETTAMENTE ALL OSSIGENO, MA AD ACCETTORI INTERMEDI

15 IL NAD : NICOTINAMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE Enzimi che catalizzano reazioni di ossidazione o di riduzione utilizzano come coenzimi dei trasportatori di elettroni come il NAD + NELLE OSSIDAZIONI CHE SI VERIFICANO NELLA GLICOLISI E IN MOLTE ALTRI CASI, ELETTRONI VENGONO SOTTRATTI AI SUBSTRATI CHE SI OSSIDANO, E TRASFERITI AL NAD + CHE SI RIDUCE A NADH + H +

16 OSSIDAZIONI: IL NAD + SI RIDUCE A NADH GLUCOSIO (C6) GLICOLISI 2 PIRUVATO (C3) + 2 ATP + 2 NADH (2x) CO 2 + NADH (2x) CICLO DI KREBS (2x) FERMENTAZIONE CO 2 + ATP + NADH + FADH 2 LATTATO + NAD + + O 2 RESPIRAZIONE H ~34 ATP + NAD + RIDUZIONE: SI OSSIDA IL NADH

17 GLICOLISI: IL GLUCOSIO (6C) VIENE TAGLIATO IN DUE MOLECOLE A 3C E PARZIALMENTE OSSIDATO SI CONSUMANO 2 ATP E SE NE PRODUCONO 4

18 GLICOLISI GLUCOSIO (C 6 H 12 O 6 ) + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + 2 PIRUVATO (C 3 H 4 O 3 ) + 2 ATP + 2 NADH + 2H + FERMENTAZIONE MUSCOLO E CELLULE ANAEROBIE PIRUVATO + NADH LATTATO + NAD + GLUCOSIO + ATP FEGATO PIRUVATO + NADH

19 DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DEL PIRUVATO: SI ELIMINA UNA CO 2 E SI RIDUCE UN NAD +, SI OTTIENE UNA MOLECOLA A 2C, ACETATO, LEGATO AD UN TRASPORTATORE, IL CoA

20 CICLO DI KREBS: GRUPPI ACETILE VENGONO COMPLETAMENTE OSSIDATI A CO 2, SI RIDUCONO NAD + E ALTRI TRASPORTATORI DI e -, SI PRODUCE ATP (POCO)

21 NEI MITOCONDRI IL PIRUVATO MA ANCHE GLI ACIDI GRASSI E ALCUNI AMINOACIDI VENGONO OSSIDATI PER OTTENERE GRUPPI ACETILE, A DUE ATOMI DI CARBONIO NELLE REAZIONI INTERVENGONO ALTRI COENZIMI, COME IL COENZIMA-A, TRASPORTATORE DI GRUPPI ACETILE O IL FAD, TRASPORTATORE DI ELETTRONI E PROTONI

22 AL CICLO DI KREBS CONFLUISCONO MOLTE VIE CATABOLICHE

23 I GRUPPI ACETILE OTTENUTI, POSSONO ESSERE OSSIDATI DAI MITOCONDRI FINO A CO 2, RIDUCENDO ALTRE MOLECOLE DI NAD + L INSIEME CICLICO DI REAZIONI CHE OSSIDA I GRUPPI ACETILE, IL CICLO DI KREBS, SI SVOLGE NELLA MATRICE MITOCONDRIALE

24 Acetil CoA 2C ossalacetato NADH + H + 4C TAPPA 1 6C TAPPA 2 citrato 6C 4C TAPPA 8 TAPPA 3 TAPPA 7 CICLO DELL ACIDO CITRICO (CICLO DI KREBS) TAPPA 4 5C NADH + H + CO 2 4C TAPPA 6 TAPPA 5 4C NADH + H + 4C FADH 2 GTP ATP CO 2

25 IL TRASFERIMENTO DI ELETTRONI DAL LEGAME CON UN ATOMO A BASSA ELETTRONEGATIVITA A QUELLO CON UN ATOMO PIU ELETTRONEGATIVO (OSSIDAZIONE) PORTA A LIBERAZIONE DI ENERGIA LE OSSIDAZIONI CHE SI VERIFICANO DURANTE LA GLICOLISI LIBERANO ENERGIA (SINTESI DI ATP) E TRASFERISCONO ELETTRONI AL NAD + CHE SI RIDUCE A NADH GLI ELETTRONI TRASFERITI AL NADH SONO ANCORA AD ALTA ENERGIA: OSSIDANDO IL NADH SI POTRA ANCORA RICAVARE ENERGIA

26 GLI ELETTRONI TRASFERITI AL NADH SONO ANCORA AD ALTA ENERGIA: OSSIDANDO IL NADH SI POTRA ANCORA RICAVARE ENERGIA GLI ORGANISMI AEROBI POSSONO RIOSSIDARE IL NADH GRAZIE ALL OSSIGENO E RICAVARE COSI ELEVATE QUANTITA DI ENERGIA.

27 LA RIOSSIDAZIONE DEL NADH SI OTTIENE ATTRAVERSO IL TRASFERIMENTO DEGLI ELETTRONI AD UNA SERIE DI TRASPORTATORI SEMPRE PIU ELETTRONEGATIVI FINO A GIUNGERE ALL OSSIGENO LA CATENA DEI TRASPORTATORI E LOCALIZZATA SULLE MEMBRANE DELLE CRESTE MITOCONDRIALI L ENERGIA CHE SI LIBERA VIENE UTILIZZATA PER POMPARE PROTONI VERSO L ESTERNO DEL MITOCONDRIO, GENERANDO UN GRADIENTE ELETTROCHIMICO

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30 H + H + H + 2H + +1/2 H 2 O

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32 (Peter Mitchell, Università di Edinburgo, 1961, premio Nobel 1978) Gradiente elettro-chimico gradiente elettrico (pot. elettriche 140 mv) gradiente chimico (ph 7 nello spazio IM ph 8 nella matrice) forza motrice protonica 230 mv

33 1 NADH = 3 ATP 1FADH 2 = 2 ATP

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35 GLUCOSIO 680 kcal/mol GLICOLISI 2 PIRUVATO 2 x 319 kcal/mol ACETILE CICLO KREBS MITOCONDRI NADH RESPIRAZIONE ATP + O 2 CO 2 NAD + +H 2 0

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37 Zuccheri lipidi F 0 F 1 ATP?? Gradiente di protoni COSA ACCADE SE LA MEMBRANA MITOCONDRIALE INTERNA LASCIA SFUGGIRE I PROTONI?

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43 Risultato netto della glicolisi 1 glucosio (6 C) - 2 ATP + 4 ATP + 2 NADH 2 piruvato (3 C) Totale: 2 ATP + 2 NADH

44 FERMENTAZIONE LATTICA ED ALCOLICA glucosio Condizioni anaerobiche 2 ADP 2 ATP 2 NAD + 2 NADH 2 NAD + piruvato LATTATO ETANOLO Acetil CoA Ciclo di Krebs Condizioni aerobiche

45 MITOCONDRI E BATTERI AEROBI IL CICLO DI KREBS SI SVOLGE NELLA MATRICE DEI MITOCONDRI E NEL CITOPLASMA BATTERICO LA CATENA DEL TRASPORTO DEGLI ELETTRONI SI SVOLGE NELLA MEMBRANA INTERNA DEL MITOCONDIO E NELLA MEMBRANA BATTERICA I MITOCONDRI POMPANO PROTONI NELLO SPAZIO INTERMEMBRANE, I BATTERI POMPANO PROTONI ALL ESTERNO LA ATP-SINTETASI SI TROVA NELLA MEMBRANA INTERNA DEL MITOCONDIO E NELLA MEMBRANA BATTERICA

46 ATP e calore I protoni rientrando nel mitocondrio attraverso il complesso F0F1, spinti dal gradiente elettrochimico, cedono energia all ATPsintetasi che la utilizza per la sintesi di ATP Parte dell energia viene dispersa sotto forma di calore Se si rende possibile che una parte dei protoni attraversino la membrana mitocondriale senza passare attraverso il complesso F0F1, si produrrà meno ATP e più calore

47 H + H + DNP Calore Se i protoni rientrano nel mitocondrio senza passare per il complesso F0F1, l energia del gradiente viene dissipata sotto forma di calore Alcune sostanze, come il dinitrofenolo (DNP) rendono la membrana permeabile ai protoni e provocano un disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa. Intossicazioni da dinitrofenolo provocano tra i molti effetti anche febbre e dimagrimento.

48 H + Calore I mitocondri del tessuto adiposo bruno hanno nella membrana interna una proteina disaccoppiante che permette il passaggio dei protoni. Il grasso bruno ha la funzione di produrre calore