Mitocondria. Mecanismul molecular al fosforilarii oxidative.

Mitocondria. Mecanismul molecular al fosforilarii oxidative.

Functia esentiala a mitocondriilor consta in sinteza ATP-ului folosind energia rezultata din oxidarea dehidrogenazei si Fdehidrogenazei, prin ciclul citric si lantul respirator.

Energia rezultata in cele doua cicluri este folosita pt sinteza ATP- in proportie de 50%, iar restul de 50% neinmagazinata in ATP este disipata sub forma de caldura in mentinerea constanta a temperaturii corpului uman.

Cercetarile demonstreaza ca energia necesara pt sinteza unui mol de ATP este - in conditii standard - de 7 kcal, dar in conditii din celula concentratiile de ATP sunt de 9 kcal/mol ca urmare numai in reactiile din lantul respirator care elibereaza o cantitate mai mare de energie pot sa genereze ATP , lucru care se realizeaza datorita oxidarii dehidrogenazei sia citocromilor prin fosforilare.

Raportul dintre fosfatul consumat prin sinteza ATP si O2 consumat este raportul P:O si el masoara randamentul fosforilarii oxidative de care depinde cantitatea de ATP eliberata.

Exista si un raport ADP:O care se poate determina ca un consum de O2 mitocondrial provenit de la succinat ca o etapa intermediara pt producerea de ATP.

In procesul de obtinere a energiei prin fosforilare oxidativa in lantul respirator in lungul lantului transportor de electroni exista 3 etape cind pot sa intervina anumite momente de inhibare a reactiei prin inhibitori.

Ex:

amital, rotenona- inhiba prima etapa (intre NADH si CoQ) si blocheaza procesul

antimicina A inhiba lantul citocromilor b-c1

cianura: inhiba lantul citocromilor a.a3-O2 (complex citocrom-oxidaza) si blocheaza transf electronilor si explica mecanismul toxicitatii cianurii

Exista si decuplanti ai fosforilarii: 2,4-dinitrofenolul- reduce valoarea la zero a citului P:O

Exista inhibitori ai transferului de energie, cum e oligomicina- care blocheaza transferul energiei de la lantul respirator la ATP ea activeaza numai asupra fosfatdehidrogenazei, inhiba respiratia OSCP ca si factor de conferire la sensibilitatii la oligomicina.

Mecanismul producerii energiei in mitocondrie.

Modelul chemiosomatic a lui Mitchell- conform acestei teorii se poate explica mecanismul fosforilarii oxidative prin faptul ca electronii se scurg in mod continuu prin lantul respirator, trecind de la un compus la alta, transportul protonilor e discontinuu, numai in unele etape sunt preluati si protoni si transportati cu electronii- iar ultrior protonii sunt eliberati.

Mitchell a sugerat ca reactiile de transport a protonilor au loc in membrana interna a mitocondriei- incit fixarea protonilor are loc pe o fata a membranei pe cind eliberarea pe cealalta fata rezultatul este crearea unui gradient electro-chimic de proton format din 2 componenete: gradient de concentratie (datorita pH-ului de 7-8, ce se creaza intre spatiul intermembranar si matrice si formarea unui potential electric- cele 2 componenete avind rolul de a dirija protoni din citosol in matrice.

Pe baza acestui gradient electro-chimic al protonilor sunt atrasi protoni in matrice , gradientul exercita o forta protonmotrice care se poate masura in milivolti, protonii pe baza acestei forte ajung in matrice prin energia furnizata de ATP sintetaze care sintetizeza ATP-ul din ADP si P anorganic, intr-un flux al protonilor spre interiorul mitocondriilor.

La nivelul membranei interne are loc sinteza ATP din ADP+P proces care conform teoriei chemiosmotice se realizeaza conform gradientului de protoni (protonmotric) la niv mb interne.

Pt a explica teoria chemiosmotica 2 cercetatori Rocker si Stokenius au efectuat pe vezicule de fosfolipide artificiale incorporarea in membrana lor a unor fragmente din membrana purpurie a bacteriei halobacterius-halobium, acest lucru a favorizat existenta unor conditii ca bacteriorodopsina din membrana purpurie sa functioneze ca o pompa de protoni- lucru care genereaza formarea ATP-ului.

Prin teoria lui Mitchel sa demonstrat ca obtinerea ATP-ului este universal desfasurindu-se sub forma unui lant respirator a.i. sub actiunea enzimelor se produce ATPA in membrana interna.

Transportul ionilor prin membana interna a mitocondriei.

In membrana interna exista un transport de ioni care se realizeaza prin difuziune facilitata astfel:

1. transportul adenin nucleotidelor se realizeaza prin schimbul dintre o molecula de ADP care trece din mitocondrie in citosol. S-a demonstrat ca trecerea poate fi impiedicata de o glucida denumita atractilocid- ATP-ul poate trece si din citosol in matrice sub forma de ADP si din matrice in citosol ATP.
2. transportul unor anioni din citosol in matrice se realizeza prin simport cu H.
3. la nivelul membranei prin ciclul Borst se realizeaza schimburi intre citosol si matrice

glutamatul ajunge din citosol in matrice si se reintoarce din matrice in citosol sub forma de aspartat

malatul trece ca malat

oxoglutanatul nu poate traversa membana interna decit prin transformarea in oxalacetat si aceasta transformat mai departe in malat sub actiunea dehidrogenazei.

Toate aceste procese de transformare a membranei interne formeaza ciclul Borst, dependente de 3 sisteme de transport: a malatului, oxoglutanatului si glutamat -aspartatului.

4. transprotul acizilor grasi prin membrana interna se face prin acil-carnitina
5. transprotul cationilor dintre care cel mai important e acumularea Ca in mitocondrie- transport cu eneregia gradientului electro-chimic.

Biogeneza si originea evolutionara a mitocondriei. Aplicatii medicale.

Biogeneza mitocondriei- organit prezent in toate celulele corpului uman- este o problema pasionanta.

Compozitia lipidica constanta a membranei interne- faptul ca mitocondriile au ADN si sistem propriu de biosinteza proprietate ce confera mitocondriei autonomie.

ADN-ul mitocondrial e circular

ADN-ul se replica si poate fi transcris in ARNm

Mitocondria contine 37 gene ce pot codifica 2 molecule diferite de ARNr formate din 16 subunitati S, 22 mol ARNt si 13 polipeptide.

Prin prezenta citocromilor b-c1 si a dehidrogenazei pot sa formeze complexul citocromilor ce contribuie la formarea ATP.

Contin ADN capabil de replicare si toate sistemele de exprimare a informatiei genetice incluse in ADN.

Biogeneza mitocondriilor se desfasoara ca si biogeneza celorlalte membrane celulare, prin inserarea componentelor nou sintetizate intr-o membrana preexistenta prin sinteza intramitocondriala si diviziunea mitocondriei.

Pe baza teoriei endosimbiotice a originii mitoconriei, el ar fii luat nastere printr-o invaziune a unei celule -------

Bacteria invadata a pierdut o parte din genele neesentiale specializindu-se in sinteza de energie. O alta teorie e ca mitocondria provine din invaginarea membranei -----------

Este interesant ca la transmiterea ADN mitocondrial se foace transcrierea ambelor lanturi din duplexul de ADN iar replicarea ADN-ului mitocondrial nu este limitata la faza S a ciclui de diviziune celulara, ci este un proces de diviziune directa- prin aparitia peretelui despartitor.

Aplicatii medicale.

Mitocondriile provin din genele materne- pot cauza atrofia nervului optic (maladia Leber) datorata afectiunii mitocondriilor. Dereglarea mitocondriilor pot cauza dereglarea SNC. Mai pot cauza af ficatului, a pancreasului (diabet), maladia lui Janconi- prin anemii severe, pot afecta si musculatura scheletica.