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 ottiene la sua energia dai mitocondri, minuscoli organelli che agiscono come centrali elettriche delle cellule. Il singolare di mitocondri è mitocondrio.
Nell'uomo, le cellule come i globuli rossi non hanno questi minuscoli organelli, ma la maggior parte delle altre cellule ha un gran numero di mitocondri. Le cellule muscolari, per esempio, possono averne centinaia o addirittura migliaia per soddisfare il loro fabbisogno energetico.
Quasi ogni cosa vivente che si muove, cresce o pensa ha mitocondri sullo sfondo, che producono 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 creste, 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 sui 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 un'ampia superficie e nessuna parte della matrice è lontana da una piega della membrana interna. Le pieghe e l'ampia superficie aiutano la funzione mitocondriale, aumentando la potenziale velocità 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, complessi multicellulari organismi e animali a sangue caldo come i mammiferi traggono la loro energia dalla respirazione cellulare basata sul mitocondrio funzione.
Le funzioni ad alta energia come quelle dei muscoli cardiaci o delle ali degli uccelli hanno alte concentrazioni di mitocondri che forniscono l'energia necessaria.
Attraverso la loro funzione di sintesi dell'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 superiori.
Funzioni mitocondriali
Il ciclo di produzione di energia nei mitocondri si basa su una catena di trasporto degli elettroni insieme all'acido citrico o al ciclo di Krebs.
Leggi di più sul ciclo di Krebs.
Il processo di scomposizione dei carboidrati come il glucosio per produrre ATP è chiamato 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 dalla respirazione cellulare subisce una riduzione per formare acqua. I prodotti finali delle reazioni sono acqua e ATP.
Gli enzimi chiave responsabili della produzione di energia mitocondriale sono la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP), nicotinammide adenina dinucleotide (NAD), adenosina difosfato (ADP) e flavina adenina dinucleotide (FAD).
Lavorano insieme per aiutare a trasferire i protoni dalle molecole di idrogeno nella matrice attraverso la membrana mitocondriale interna. Questo 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 dell'ATP.
La sintesi di ATP e le molecole di ATP sono i principali vettori di energia nelle cellule e possono essere utilizzati dalle cellule per la produzione delle sostanze chimiche necessarie per gli organismi viventi.
•••scienze
Oltre 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 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, aiutando con le interazioni cellulari, distribuendo sostanze chimiche complesse e producendo l'ATP che costituisce la base energetica per tutta la vita.
Le membrane mitocondriali interna ed esterna
La doppia membrana mitocondriale ha funzioni diverse 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 il passaggio delle sostanze chimiche necessarie ai mitocondri. 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 fori o pori sulla superficie della membrana.
Lo spazio intermembrana contiene un 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 possonoTP penetrano nella membrana esterna e transitano tra il fluido dello spazio intermembrana e il citosol..
La membrana interna ha una struttura complessa con enzimi, proteine e grassi che consentono solo all'acqua, all'anidride carbonica e all'ossigeno di passare liberamente attraverso la membrana.
Altre molecole, comprese le proteine di grandi dimensioni, 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 delle creste, fornisce spazio a tutte queste complesse strutture proteiche e chimiche.
Il loro elevato numero consente un'elevata attività chimica e un'efficiente produzione di energia.
Il processo mediante il quale l'energia viene prodotta attraverso trasferimenti chimici attraverso la membrana interna è chiamato 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 indietro attraverso la membrana interna nella matrice attraverso un complesso enzimatico che è una forma precursore dell'ATP e si chiama ATP sintasi.
Il flusso di protoni attraverso l'ATP sintasi è a sua volta la base per la sintesi dell'ATP e produce molecole di ATP, il principale meccanismo di immagazzinamento dell'energia nelle cellule.
Cosa c'è in Matrix?
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 dal glucosio e dagli 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 cellule minuscole e complete da sole, è perché probabilmente erano cellule separate a un certo punto quando le singole cellule si stavano ancora evolvendo.
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 in organismi multicellulari e si sono evoluti nei mitocondri odierni.
Poiché si trovano oggi nelle cellule animali, costituiscono una parte fondamentale della prima evoluzione umana.
Poiché i mitocondri si moltiplicano indipendentemente in base al genoma mitocondriale e non prendono parte alla cellula divisione, le nuove cellule ereditano semplicemente i mitocondri che si trovano nella loro parte del citosol quando la cellula divide.
Questa funzione è importante per la riproduzione degli organismi superiori, compreso l'uomo, perché gli embrioni si sviluppano da un uovo fecondato.
La cellula uovo della madre è grande e contiene molti mitocondri nel suo citosol mentre lo spermatozoo fertilizzante del padre non ne ha quasi nessuno. Di conseguenza, i bambini ereditano i loro mitocondri e il loro DNA mitocondriale dalla madre.
Attraverso la loro funzione di sintesi di ATP nella matrice e attraverso la respirazione cellulare attraverso la doppia membrana, i mitocondri e la funzione mitocondriale sono una componente chiave delle cellule animali e contribuiscono a rendere la vita così com'è possibile.
La struttura cellulare con organelli legati alla membrana ha svolto un ruolo importante nell'evoluzione umana e i mitocondri hanno dato un contributo essenziale.