METABOLISMO CELLULARE, Sintesi del corso di Citologia

Scarica METABOLISMO CELLULARE e più Sintesi del corso in PDF di Citologia solo su Docsity! Metabolismo energetico Tutti gli organismi viventi sono dotati di sistemi che consentono loro di assorbire continuamente energia dall’ambiente circostante e di trasformarla in energia chimica sotto forma di ATP. Nelle cellule eucariotiche gli organuli che si occupano di assorbire e trasformare l’energia, sono i mitocondri, che sono presenti in tutte le cellule animali e vegetali e i cloroplasti, che si trovano solo nelle cellule dei vegetali fotosintetici; in alcune fasi del metabolismo energetico, intervengono anche i perossisomi. Si definisce metabolismo energetico, quell’insieme di reazioni che, a partire dalla degradazione di una molecola organica, arriva alla produzione di molecole di ATP. Esso comprende 2 fasi: Anaerobica  si attua in assenza di ossigeno e che si svolge nel citoplasma cellulare; Aerobica  richieda la presenza di ossigeno e si svolge all’interno dei mitocondri. I mitocondri Il mitocondrio è un organello cellulare di forma allungata, simile ad un fagiolo, con un diametro compreso tra 0,5–1 µm e una lunghezza di 1-4 µm (1µm = 1 micrometro = 10-6 m). I mitocondri si sono originati all'incirca1,5 miliardi di anni fa in seguito ad una endosimbiosi avvenuta tra i progenitori delle cellule eucariote con alcune cellule procariote in grado di utilizzare ossigeno. Al loro interno avviene la respirazione cellulare, con cui sono in grado di produrre grandi quantità di energia sotto forma di molecole di Adenosina Trifosfato (ATP). Assieme ai cloroplasti, i mitocondri sono gli unici organelli cellulari che contengono un proprio genoma (di tipo procariotico), e si riproducono all'interno della cellula in maniera indipendente. 1)Struttura dei mitocondri: I mitocondri, hanno la parete formata da 2 membrane, una esterna e una interna, le quali, circoscrivono due spazi distinti, una camera mitocondriale esterna e una camera mitocondriale interna.  Membrana esterna  la membrana esterna ha uno spessore di circa 6nm ed è separata da quella interna dalla camera esterna. Questa membrana, possiede un contenuto lipidico più alto rispetto a quella interne. I lipidi che la costituiscono sono essenzialmente i fosfolipidi, di cui il più abbondante è la fosfatodicolina. La membrana esterna inoltre possiede una elevata permeabilità e contiene molte copie della proteina porina.  Membrana interna  la membrana interna presenta lo stesso spessore di quella interna, tuttavia presenta un elevato contenuto di proteine rispetto a quella interna. Essa si solleva al livello della cavità del mitocondrio, formando delle pieghe dette creste mitocondriali. Le creste possono essere:  Lamellari: sono disposte perpendicolarmente all’asse maggiore del mitocondrio;  Tubolari: sono presenti nei mitocondri di protozoi, insetti e cellule della corticale del surrene;  Semplici;  Ramificate;  Disposte a formare reri. La composizione lipidica della membrana ricorda quella della membrana plasmatica dei batteri (priva di colesterolo), non è permeabile come la membrana esterna e contiene diverse proteine di trasporto che controllano selettivamente il passaggio di alcune molecole coinvolte nei processi metabolici. Inoltre si trovano anche dei complessi proteici che sono coinvolti nei processi di fosforilazione ossidativa e nel trasporto degli elettroni:  Complesso NADH ubichinone reduttasi (NADH-CoQ)  costituito da 40 proteine, riceve gli elettroni dal NADH e li trasferisce all’ubichinone (o coenzima Q);  Complesso Citocromo c reduttasi (CoQH2)  costituito da circa 11 proteine, riceve gli elettroni dell’ubichinone ridotto e li cede al citocromo c Complesso citocromo c ossidasi  riceve gli elettroni dal citocromo e li trasferisce all’ossigeno.  Complesso ATP senteasi  insieme di proteine intrinseche di membrana, che formano un canale protonico. Oltre a questi complessi, nella membrana, si trovano anche degli enzimi, coinvolti nel Ciclo di Krebs, che si svolge nella matrice mitocondriale. Camera mitocondriale esterna  spazio compreso fra le due membrane; quando è stimolata la fosforilazione ossidativa, la camera esterna si allarga il mitocondrio assume la cosiddetta forma condensata. Camera mitocondriale interna  contiene un materiale di aspetto finemente granulare, detto matrice mitocondriale; si tratta di un gel viscoso, nel quale si trovano enzimi idrosolubili per l’ossidazione degli acidi grassi e per il funzionamento del ciclo di Krebs. In essa si trovano granuli e i mitocondri rappresentano uno dei più importanti depositi intracellulari per gli ioni calcio 2)Genoma mitocondriale: I mitocondri possiedono un proprio genoma e un proprio apparato sintetico, comprendente vari tipi di RNA. Il DNA mitocondriale non è legato a proteine ed è sottoforma di molecole circolari, localizzate nella matrice ed agganciate alla membrana delle creste. In ogni mitocondrio sono presenti diverse molecole di DNA mitocondriale (da 5 a 10 copie identiche) e ciascuna molecola di DNA mitocondriale contiene un totale di 37 geni; di questi, 13 codificano per proteine che sono una componente dei complessi proteici presenti nella membrana mitocondriale interna. Questi complessi contengono proteine sintetizzate nel citoplasma, sotto il controllo del genoma nucleare. I restanti 24 geni del DNA mitocondriale corrispondono alle sequenze di tRNA e rRNA importanti per la sintesi dei siti delle proteine codificate dal DNA mitocondriale. L’eredità mitocondriale è solo materna nei mammiferi. La matrice ha una consistenza fondamentalmente gelatinosa, perchè contiene delle proteine idrosolubili è caratterizzata dalla presenza di enzimi, ribosomi e molecole di DNA circolare a doppio filamento. Quello che è caratteristico dei mitocondri è di avere questi ribosomi che sono più piccoli rispetto a quelli presenti nel resto della cellula La matrice mitocondriale svolge anche funzione di deposito di calcio. Il mitocondrio partecipa all’omeostasi del calcio intracellulare che è gestito dal REL. Infatti i mitocondri, in caso di insufficiente capacità del REL > di immagazzinare il Calcio, collegati al REL per complessi proteici, intervengono assumendo calcio in eccesso attraverso un processo a bassa affinità e alta capacità. >Tra questi complessi proteici ricordiamo la mitofusina 2. Dalla camera esterna gli ioni Calcio vengono trasferiti alla camera interna attraverso i vari trasportatori e canali ionici. 4)Importazione delle proteine nei mitocondri: Circa il 99% delle proteine mitocondriali viene sintetizzato su informazione del genoma nucleare e vengono in seguito trasportate all'interno del mitocondrio. Esso è caratterizzato dall'avere due membrane e due camere (compartimenti), dunque il sistema di smistamento deve distinguere le diverse destinazioni; Indirizzamento alla matrice  Per il Segnale di indirizzamento è importante la caratteristica della sequenza amminoacidica. Le sequenze di indirizzamento alla matrice sono ricche di amminoacidi a carica tendenzialmente positiva. Data sequenza viene rimossa una volta inserita la proteina nel mitocondrio. La proteina viene riconosciuta e legata da proteine chaparone, le quali mantengono la proteina in stato non ripiegato. Il legame e il successivo trasferimento attraverso la membrana mitocondriale esterna avviene grazie ad un complesso proteico TOM ed il successivo passaggio attraverso la membrana interna avviene con grazie ad un secondo complesso proteico il TIM. La proteina viene trascritta grazie all'intervento di un chaparone che sfrutta l'energia dell'ATP e la differenza di potenziale esistente tra i due lati della membrana mitocondriale a causa delle cariche positive degli amminoacidi e le cariche negative presenti nella matrice mitocondriale. Indirizzamento nello spazio intermembrana  Per l'indirizzamento nella camera esterna mitocondriale esistono almeno due meccanismi di traslocazione. Un primo meccanismo è molto simile a quello precedentemente descritto; difatti prevede a che dopo la rimozione della sequenza segnale di importazione alla matrice, subisca un trasporto in direzione inversa grazie alla presenza di traslocatori posti sulla membrana interna che riconoscono un secondo segnale per la traslocazione nella camera esterna, il quale si trova subito prima del segnale per la matrice. Un secondo meccanismo, prevede sempre la presenza di entrambe le sequenze sagnale, ma la seconda funziona da sequenza di arresto alla traslocazione. La proteina dunque superata la membrana esterna ed iniziato a passare attraverso il complesso del TIM si un flusso di ioni idrogeno H+, che si spostano attraverso la membrana del mitocondrio, secondo il loro gradiente di concentrazione. Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena respiratoria richiede l’intervento di enzimi detti deidrogenasi, che hanno la funzione di “strappare” l’idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), in modo che si producano ioni H+ ed elettroni per la catena respiratoria. Sulla membrana interna del mitocondrio si trovano particolari molecole, capaci di accettare e donare elettroni e perciò dette trasportatori (citocromi, flavoproteine e coenzima Q). A queste il NADH e il FADH2, derivanti dal ciclo di Krebs, cedono i propri elettroni, convertendosi nella forma ossidata e potendo quindi essere riutilizzati in un nuovo ciclo. Il trasferimento di elettroni che si attiva lungo i trasportatori è un processo che libera energia, ed è responsabile della trasformazione dell’ossigeno (proveniente dalla respirazione) ad acqua, e della alta resa energetica della respirazione cellulare, in termini di sintesi di molecole di ATP. del trasporto degli elettroni procede versa destra, cioè verso l'ossigeno che ne sarà l'accettore finale per formare acqua. Per ogni molecola di NADH ossidata vengono prodotti in totale 2,5 molecole di ATP. Per ogni molecola di FADH2 sono invece prodotte 1,5 molecole di ATP. Attraverso l'ossidazione glicolitica di una molecola di glucosio, la successiva conversione delle molecole di piruvato in acetil-CoA e in fine il ciclo di Krebs sono sintetizzate in tutto 10 molecole di NADH e 2 di FADH2. Il valore energetico immagazzinato in queste molecole viene convertito in un totale di 28 molecole di ATP per la sola Fosforilazione (36 in tutta la respirazione). 9)Bilancio metabolismo energetico: Glicolisi  All’inizio abbiamo consumato 2 ATP in seguito vengono prodotte 4 ATP. Per concludere, la glicolisi ci fornisce solo 2 ATP. È opportuno perciò, analizzare la produzione del NADH: ciascun NADH produrrà, nella fosforilazione ossidativa 3 ATP. Nella glicolisi si producono 2 NADH equivalenti a 6 ATP.; quindi il bilancio netto è di 8 ATP. Ciclo di Krebs  Nel ciclo di Krebs si producono 2 molecole di ATP, 6 NADH e FADH2che produce 4 ATP. Quindi avremo 2 +( 6×3) +4 = 24 ATP. Bisogna in ogni caso ricordare che il guadagno totale teorico massimo è di 38 ATP, ma il guadagno netto reale è di 36 molecole di ATP perché, in alcune cellule, il prezzo da pagare per l’accezione degli elettroni e degli ioni H+ da parte del NADH e FADH2 è di 2 molecole di ATP. 10)Altri funzioni dei mitocondri : I mitocondri, oltre a trasferire l’energia dai nutrienti all’ATP, svolgono anche altre funzioni: Accumulo di ioni calcio; Partecipazione, insieme al REL, alla sintesi di ormoni steroidei, dovuta alla presenza sulle creste di enzimi, che operano nel distacco della catena laterale del colesterolo; Limita la sintesi proteica; Ossidazione degli acidi grassi, ad opera di enzimi mitocondriali; Glicogenesi  è importante che la quantità di glucosio intracellulare sia rigorosamente controllata e mantenuta a livelli ottimali. Tuttavia, quando le riserve di glucosio si esauriscono e l’apporto di glucosio esogeno si esaurisce risultando così insufficiente nella cellula, scatta la gluconeogenesi, che consiste nella produzione di glucosio, da parte di precursori non glucidici. Gran parte del processo, si svolge nei mitocondri. Perossisomi I perossisomi sono organelli cellulari con funzione metabolica presenti in tutte le cellule eucariote. Essi hanno una forma sferica, sono delimitati da una membrana lipidica e hanno le dimensioni di 0,1-1 micron. Il numero di perossisomi può variare da cellula a cellula e se ne trovano in abbondanza nelle cellule degli organi e tessuti con più intense attività metaboliche e detossificanti, in particolare nel fegato. Al loro interno sono contenute diverse classi di enzimi (circa 50) la cui attività ottimale è a circe a PH8. L’enzima più abbondante è la catalasi; esso è in grado di degradare, evitando così che entri in circolo, il perossido di idrogeno, un composto altamente tossico, che viene prodotto attraverso l’attività di altri enzimi perossisomiali, come le ossidasi. Nei perossisomi si svolgono anche importanti funzioni metaboliche come: lo smaltimento delle tossine; l'accorciamento degli acidi grassi a lunga catena (che poi verranno completamente ossidati nei mitocondri); l'ossidazione della catena laterale del colesterolo durante la formazione degli acidi biliari; la sintesi di esteri lipidici del glicerolo (fosfolipidi e trigliceridi); l'ossidazione di aminoacidi e acido urico. I perossisomi vengono assemblati a partire da vescicole che si distaccano dal reticolo endoplasmatico, e sono inoltre in grado di replicarsi per scissione binaria, pur non contenendo materiale genetico. Le proteine dei perossisomi, chiamate perossine, vengono prodotte nel citoplasma e si occupano di importare le proteine nei perossisomi, dopo che hanno assunto la loro struttura terziaria/quaternari; tuttavia, alcune di queste proteine, vengono utilizzate per regolare la forma dei perossisomi, mentre altri fungono a ricettori. Cloroplasti I cloroplasti sono gli organelli cellulari nei quali avviene il processo di fotosintesi clorofilliana. Al microscopio si presentano come corpuscoli di colore verde (dovuto alla clorofilla) e si trovano negli organi fotosintetici delle piante (foglie e fusti verdi) e nelle alghe eucariotiche. I cloroplasti sono in grado di catturare l'energia luminosa e trasformarla in energia chimica tramite l'azione della clorofilla. Similmente ai mitocondri, la loro origine è avvenuta a causa di una endosimbiosi tra cellule eucariotiche e cianobatteri (procarioti fotosintetici) avvenuta circa 1 miliardo di anni fa, e per questo i cloroplasti posseggono un proprio genoma (di tipo batterico) e si riproducono nella cellula in maniera indipendente. Anche il DNA dei cloroplasti è di tipo procariotico, nudo e chiuso in un anello. I cloroplasti sembrano essere circondati da 2 membrane separate attraverso uno spazio intermembranoso; queste membrane circondano uno stroma, nel quale si trovano altre strutture membranose, che delimitano alcuni sacchi appiattiti, i tilacoidi. Alcuni di questi formano dischi appiattiti, sovrapposti, creando così delle pile dette grana. Nelle membrane dei tilacoidi si trovano 2 complessi costituiti da proteine e da pigmenti fotosintetici:  fotosistema I  fotosistema II Entrambi comprendono un sistema antenna e un centro reattivo. I cloroplasti si formano sia attraverso la divisione di cloroplasti e sia attraverso il differenziamento dei proplastidi, il quale, comporta la formazione di membrane nello stroma. Al buio, i proplastidi si trasformano in ezioplasti, nei quali le membrane tilacoide e formano un insieme di tubuli disposti a reticolo, costituendo così un corpo prolamellare. Le membrane degli ezioplasti mancano di clorofilla e perciò non sono fotosintetiche; tuttavia, l’esposizione alla luce induce alla sintesi della clorofilla e quindi, alla trasformazione degli ezioplasti in cloro plastidi funzionanti. La clorofilla è un pigmento verde con una estremità idrofila, rappresentata da una porfirina; la clorofilla B si differenzia dalla A, poiché presenta un gruppo formile al posto di un metile. I cromatidi sono pigmenti di colore giallo\arancio e tra essi, i principali sono il beta carotene e le xantofille.