Contenuto
- Struttura dei mitocondri
- Perché i mitocondri sono importanti?
- Funzioni mitocondriali
- Le membrane mitocondriali interne ed esterne
- Cosa c'è nella matrice?
Le cellule eucariotiche degli organismi viventi svolgono continuamente un numero enorme di reazioni chimiche per vivere, crescere, riprodursi e combattere le malattie.
Tutti questi processi richiedono energia a livello cellulare. Ogni cellula che si impegna in una di queste attività trae la sua energia dai mitocondri, piccoli organelli che fungono da centrali elettriche delle cellule. Il singolare dei mitocondri è il mitocondrio.
Nell'uomo, cellule come i globuli rossi non hanno questi piccoli organelli, ma la maggior parte delle altre cellule ha un gran numero di mitocondri. Le cellule muscolari, ad esempio, possono avere centinaia o addirittura migliaia per soddisfare il loro fabbisogno energetico.
Quasi ogni cosa vivente che si muove, cresce o pensa ha sullo sfondo i mitocondri, producendo l'energia chimica necessaria.
Struttura dei mitocondri
I mitocondri sono organelli legati alla membrana racchiusi da una doppia membrana.
Hanno una membrana esterna liscia che racchiude l'organello e una membrana interna piegata. Le pieghe della membrana interna sono chiamate criste, il cui singolare è crista, e le pieghe sono dove avvengono le reazioni che creano energia mitocondriale.
La membrana interna contiene un fluido chiamato matrice mentre anche lo spazio intermembrana situato tra le due membrane è riempito di fluido.
A causa di questa struttura cellulare relativamente semplice, i mitocondri hanno solo due volumi operativi separati: la matrice all'interno della membrana interna e lo spazio intermembrana. Si basano su trasferimenti tra i due volumi per la generazione di energia.
Per aumentare l'efficienza e massimizzare il potenziale di creazione di energia, le pieghe della membrana interna penetrano in profondità nella matrice.
Di conseguenza, la membrana interna ha una vasta area superficiale e nessuna parte della matrice è lontana da una piega della membrana interna. Le pieghe e l'ampia superficie aiutano la funzione mitocondriale, aumentando il potenziale tasso di trasferimento tra la matrice e lo spazio intermembrana attraverso la membrana interna.
Perché i mitocondri sono importanti?
Mentre le singole cellule si sono originariamente evolute senza mitocondri o altri organelli legati alla membrana, gli organismi multicellulari complessi e gli animali a sangue caldo come i mammiferi ottengono la loro energia dalla respirazione cellulare in base alla funzione mitocondriale.
Le funzioni ad alta energia come quelle dei muscoli del cuore o delle ali degli uccelli hanno alte concentrazioni di mitocondri che forniscono l'energia necessaria.
Attraverso la loro funzione di sintesi ATP, i mitocondri nei muscoli e in altre cellule producono il calore corporeo per mantenere gli animali a sangue caldo a una temperatura costante. È questa capacità di produzione di energia concentrata dei mitocondri che rende possibili le attività ad alta energia e la produzione di calore negli animali più elevati.
Funzioni mitocondriali
Il ciclo di produzione di energia nei mitocondri si basa su una catena di trasporto di elettroni insieme all'acido citrico o al ciclo di Krebs.
Ulteriori informazioni sul ciclo di Krebs.
Il processo di scomposizione dei carboidrati come il glucosio per produrre ATP si chiama catabolismo. Gli elettroni dell'ossidazione del glucosio vengono fatti passare lungo una catena di reazione chimica che include il ciclo dell'acido citrico.
L'energia delle reazioni di riduzione-ossidazione, o redox, viene utilizzata per trasferire i protoni fuori dalla matrice in cui si verificano le reazioni. La reazione finale nella catena della funzione mitocondriale è quella in cui l'ossigeno della respirazione cellulare subisce una riduzione per formare l'acqua. I prodotti finali delle reazioni sono acqua e ATP.
Gli enzimi chiave responsabili della produzione di energia mitocondriale sono nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADP), nicotinamide adenina dinucleotide (NAD), adenosina difosfato (ADP) e flavin adenina dinucleotide (FAD).
Lavorano insieme per aiutare a trasferire i protoni dalle molecole di idrogeno nella matrice attraverso la membrana mitocondriale interna. Ciò crea un potenziale chimico ed elettrico attraverso la membrana con i protoni che ritornano alla matrice attraverso l'enzima ATP sintasi, con conseguente fosforilazione e produzione di adenosina trifosfato (ATP).
Leggi la struttura e la funzione di ATP.
La sintesi di ATP e le molecole di ATP sono i principali vettori di energia nelle cellule e possono essere utilizzate dalle cellule per la produzione delle sostanze chimiche necessarie per gli organismi viventi.
••• ScienzeOltre ad essere produttori di energia, i mitocondri possono aiutare con la segnalazione da cellula a cellula attraverso il rilascio di calcio.
I mitocondri hanno la capacità di immagazzinare il calcio nella matrice e possono rilasciarlo quando sono presenti determinati enzimi o ormoni. Di conseguenza, le cellule che producono tali sostanze chimiche scatenanti possono vedere il segnale dell'aumento del calcio dal rilascio da parte dei mitocondri.
Nel complesso, i mitocondri sono una componente vitale delle cellule viventi, aiutano con le interazioni cellulari, distribuiscono sostanze chimiche complesse e producono l'ATP che costituisce la base energetica per tutta la vita.
Le membrane mitocondriali interne ed esterne
La doppia membrana mitocondriale ha diverse funzioni per la membrana interna ed esterna e le due membrane e sono costituite da sostanze diverse.
La membrana mitocondriale esterna racchiude il fluido dello spazio intermembrana, ma deve consentire alle sostanze chimiche necessarie ai mitocondri di attraversarlo. Le molecole di accumulo di energia prodotte dai mitocondri devono essere in grado di lasciare l'organello e fornire energia al resto della cellula.
Per consentire tali trasferimenti, la membrana esterna è costituita da fosfolipidi e strutture proteiche chiamate Porins che lasciano piccoli buchi o pori nella superficie della membrana.
Lo spazio intermembrana contiene fluido che ha una composizione simile a quella del citosol che costituisce il fluido della cellula circostante.
Piccole molecole, ioni, nutrienti e la molecola di ATP che trasporta energia prodotta dalla sintesi di ATP possono penetrare nella membrana esterna e passare tra il fluido dello spazio intermembrana e il citosol.
La membrana interna ha una struttura complessa con enzimi, proteine e grassi che consente solo all'acqua, all'anidride carbonica e all'ossigeno di passare liberamente attraverso la membrana.
Altre molecole, comprese le grandi proteine, possono penetrare nella membrana ma solo attraverso speciali proteine di trasporto che ne limitano il passaggio. L'ampia superficie della membrana interna, risultante dalle pieghe criste, offre spazio a tutte queste complesse strutture chimiche e proteiche.
Il loro numero elevato consente un elevato livello di attività chimica e una produzione efficiente di energia.
Viene chiamato il processo mediante il quale viene prodotta energia attraverso trasferimenti chimici attraverso la membrana interna fosforilazione ossidativa.
Durante questo processo, l'ossidazione dei carboidrati nei mitocondri pompa i protoni attraverso la membrana interna dalla matrice nello spazio intermembrana. Lo squilibrio nei protoni fa sì che i protoni si diffondano nuovamente attraverso la membrana interna nella matrice attraverso un complesso enzimatico che è una forma precursore di ATP e si chiama ATP sintasi.
Il flusso di protoni attraverso ATP sintasi a sua volta è la base per la sintesi di ATP e produce molecole di ATP, il principale meccanismo di accumulo di energia nelle cellule.
Cosa c'è nella matrice?
Il fluido viscoso all'interno della membrana interna è chiamato matrice.
Interagisce con la membrana interna per svolgere le principali funzioni di produzione di energia dei mitocondri. Contiene gli enzimi e le sostanze chimiche che prendono parte al ciclo di krebs per produrre ATP da glucosio e acidi grassi.
La matrice è dove si trova il genoma mitocondriale costituito da DNA circolare e dove si trovano i ribosomi. La presenza di ribosomi e DNA significa che i mitocondri possono produrre le proprie proteine e riprodursi utilizzando il proprio DNA, senza fare affidamento sulla divisione cellulare.
Se i mitocondri sembrano essere minuscole, cellule complete da sole, è perché probabilmente erano cellule separate in un punto in cui le singole cellule erano ancora in evoluzione.
I batteri simili ai mitocondri sono entrati nelle cellule più grandi come parassiti e sono stati autorizzati a rimanere perché la disposizione era reciprocamente vantaggiosa.
I batteri sono stati in grado di riprodursi in un ambiente sicuro e hanno fornito energia alla cellula più grande. Nel corso di centinaia di milioni di anni, i batteri si sono integrati negli organismi pluricellulari e si sono evoluti nei mitocondri di oggi.
Poiché si trovano oggi nelle cellule animali, formano una parte fondamentale della prima evoluzione umana.
Poiché i mitocondri si moltiplicano indipendentemente in base al genoma mitocondriale e non prendono parte alla divisione cellulare, le nuove cellule ereditano semplicemente i mitocondri che si trovano nella loro parte del citosolo quando la cellula si divide.
Questa funzione è importante per la riproduzione di organismi superiori, compresi gli esseri umani, perché gli embrioni si sviluppano da un uovo fecondato.
La cellula uovo della madre è grande e contiene molti mitocondri nel suo citosol mentre la cellula spermatica fertilizzante del padre non ha quasi nessuno. Di conseguenza, i bambini ereditano i loro mitocondri e il loro DNA mitocondriale dalla madre.
Attraverso la loro funzione di sintesi ATP nella matrice e attraverso la respirazione cellulare attraverso la doppia membrana, i mitocondri e la funzione mitocondriale sono un componente chiave delle cellule animali e aiutano a rendere la vita così come esiste.
La struttura cellulare con organelli legati alla membrana ha svolto un ruolo importante nell'evoluzione umana e i mitocondri hanno dato un contributo essenziale.