Mitocondriile „uzinele energetice celulare” Mitocondriile sunt organite complexe, prezente in celulele tuturor organismelor aerobe (oxibionte). Contin numeroase enzime capabile de a degrada unele substante organice pana la dioxid de carbon si apa si de a pune in libertate o mare cantitate de energie. De aici si numele lor, sugestiv, de uzinele energetice ale celulei. Mitocondriile au aspectul unor vezicule elongate, cu un contur neregulat, care se pot fragmenta sau , dimpotriva, pot fuziona. Diametrul redus face dificila observarea lor “in vivo” la microscop. Dupa o colorare adecvata (ex. cu solutia Lugol sau verde de Janus) ele devin vizibile sub forma unor granule sau bastonase. Intr-o celula sunt numeroase mitocondrii;ansamblul lor formeaza condriomul celular. Cercetarile electromicroscopice au relevat existenta unui plan unic de organizare al mitocondriilor. O mitocondrie prezinta 2 componente structural – functionale: invelisul si matrix mitocondrial sau condrioplasma. Invelisul mitocondrial – separa condrioplasma de hialoplasma (citosol); este format din doua membrane distincte. Membrana externa este neteda, prezinta numerosi pori si este mult mai permeabil decat cea interna. Membrana interna se pliaza si formeaza numeroase cute numite criste. Prin formarea acestor, suprafata membranei se mareste de pana la 10 ori. Spre deosebire de cea externa, membrana interna este inalt impermeabila si este energizanta, adica are rol in conversatia si stocarea energiei sub forma de ATP. Acest potential se datoreaza faptului ca ea contine masinaria biochimica care functioneaza in respiratia aeroba, catenele respiratori. Matrixul mitocondrial – reprezinta o mixtura de solutii de substante organice si minerale. Dominante sunt enzimele care catalizeaza degradarea acidului piruvic in cadrul unei serii ciclice de reactii cunoscuta sub numele de ciclul Krebs. 38843ubx78eqn2m In matrix este inglobat un intreg aparat genetic de tip procariot, reprezentat de molecule de ADN si ARN, ribozomi, enzime si alti factori implicati in replicare, transcriere si translatie, ceea ce constituie un puternic argument in sprijinul ipotezei endosimbiotice, care postuleaza originea bacteriana a mitocondriilor. Gratie acestui aparat genetic, propriu, mitocondriile sunt definite ca organite semiautonome, capabile de a sintetiza multe din moleculele structural – functionale proprii. Mitocondriile se perpetueaza prin diviziune (condriotomie), fragmentare sau inmugurire. Se transmit de la o generatie celulara la alta;manifesta continuitate genetica si nu se formeaza niciodata „de novo”. Mitocondriile joaca un rol important in respiratia celulara Mitocondriile au o compozitie chimica strict specializata, capabila de a cataliza reactiile etapei (fazei) oxigenice a procesului de respiratie. Prin urmare, functia esentiala a mitocondriei este cea legata de respiratia celulara bq843u8378eqqn Respiratia celulara este un proces biologic complex in cadrul caruia sunt degradate substante organice pana la substante minerale, printr-o serie de reactii oxidative, cu eliberarea energiei in interiorul celulei. Energia chimica inclusa in moleculele organice nu poate fi utilizata direct pentru diversele activitati celulare, nici chiar celulele care o produc, ca urmare, este necesar ca aceasta chimica sa fie convertita intr-o forma mai accesibila de „cheltuit”. Aceasta transformare are loc in timpul respiratiei, cand energia rezultata din degradarea substantelor organice este utilizata pentru sinteza unei molecule speciale (o nucleosida) denumita adenozin trifosfat(ATP), din adenozin difosfat(ADP) si fosfat anorganic(P), conform reactiei: ADP + P + E (energie conservanta) —› ATP ATP a fost numit moneda energetica a celulei. Odata sintetizat, el este transferat de la locul de sinteza in alte compartimente ale celulei unde energia este utilizata in diverse procese celulare: absortia substantelor nutritive impotriva unui gradient de concentratie, sinteza de noi substante (proteine, glucide, acizi nucleici etc.), edificarea unor structuri celulare (ex. microtubuli, citoschelet, fus de diviziune), transportul intracelular, miscarea organitelor locomotori (flageli, cili, pseudopode) s.a. Energia ATP este eliberata prin degradarea (hidroliza) acestuia la ADP + P, printr-o reactie inversa celei anterioare: ATP —› ADP + P + E(energie metabolica) In timpul unei reactii de oxidare, un atom sau o molecula pierde electroni. Intrucat in natura nu exista electroni in stare libera, inseamna ca ei vor fi luati de la un atom al altei molecule. Achizitia unui electron constituie o reactie de reducere. Reducerea este o reactie care absoarbe energie. Dimpotriva, oxidarea este o reactie care degaja energie. In celulele vii orice reactie de oxidare formeaza „o pereche” de reactii interdependente, cunoscuta sub numele de reactie de oxido-reducere. Cele doua reactii cuplate pot fi reprezentate astfel: X —› X + 1 electron; Y + 1 electron —› Y oxidare reducere (X =molecula oxidata; Y = molecula redusa) Molecula care pierde electroni este donatoare de electroni si se oxideaza; Molecula care primeste electroni este acceptoare de electroni si se reduce. Moleculele organice cu un numar mare de atomi de hidrogen (superior celui al atomilor de oxigen) sunt surse eficiente de energie, deoarece tind sa piarda electroni si ioni de hidrogen. O astfel de molecula este si cea de glucoza (C6H12O6) in care numarul atomilor de hidrogen este dublu fata de cel al atomilor de oxigen. Degradarea glucozei in respiratie poate fi sintetizata prin urmatoarea reactie oxidativa: C6H12O6 + 6H2O —› 6CO2 + 6H2O + 36 mol ATP (=686 Kcal) In acest fel energia este eliberata din „inchisoarea” moleculelor organice. In forma sa cea mai simplificata, oxidarea implica unirea unor substante cu oxigenul, fenomen cunoscut si sub numele de ardere. In arderea unui bat de chibrit oxigenul din aer se uneste cu lemnul, pe care-l degradeaza pana la dioxid de carbon si apa. Concomitent este eliberata energie sub forma de caldura si lumina. Respiratia, care implica o serie de reactie de oxidare, este, asadar, un proces analog arderii unui combustibil. Totusi, intr-o viziune mai profunda si cuprinzatoare, reactiei oxidative din respiratie sunt arderi lente, cu degajare progresiva, in cantitati foarte ici, a energiei eliberate. Se evita astfel arderea celulei si se ofera posibilitatea ca celula sa conserve energiei eliberata. Mai mult decat atat, unele procese oxidative – respiratorii se pot desfasura in absenta oxigenului, acceptorul final de electron fiind compus anorganic sau mai rar organic. Aceasta este respiratia anaeroba. In cadrul procesului de respiratie, reactiile oxidative prin care se elibereaza energia sunt cuplate cu reactii care absorb energia. Aceste reactii cuplate sunt cheia reactiilor in procesele biosintetice. Procesul respiratiei celulare poate fi divizat in doua faze/etape: Etapa citosolica, anaeroba/anoxigenica Etapa mitocondriala, aeroba/oxigenica Prima etapa cunoscuta sub numele de glicoliza are loc in citosol (hialoplasma) si nu este dependenta de prezenta oxigenului. In aceasta faza o molecula de glucoza este rupta cu ajutorul unor enzime in doua molecule mai mici, cu 3 atomi de carbon, de acid piruvic. Totodata se elibereaza o anumita cantitate de energie, pe baza careia sunt sintetizate doua molecule de ATP. Reactia poate fi reprezentata astfel: 1 mol. glucoza - enzime degradative —› 2 mol. acid piruvic + 2 mol. ATP (energie) Odata format, acidul piruvic intra in mitocondrie unde se desfasoara etapa a doua a procesului de respiratie. In matrixul mitocondrial, in urma mai multor reactii de oxido – reducere, succesive, ordonate (ansambul lor formeaza ciclul Krebs) moleculele de acid piruvic sunt degradate enzimatic, complet pana la substante minerale (in cazul organismelor aerobice, acestea sunt CO2 si H2 O). In urma acestor reactii degradative rezulta o mare cantitate de energie, care este, de asemenea, conservata prin sinteza altor molecule de ATP. In total, prin degradarea respiratorie a unei molecule de glucoza, se obtin 36 molecule de ATP, in care stocate 686 Kcal. ATP este principalul compus care este sintetizat de toate organismele in timpul respiratiei celulare. Energia este astfel temporar depozitata intr-o forma de utilizat in toate procesele vitale celulare. Viata inseamna, inainte de orice, energie, iar aceasta este pusa la dispozitia organismelor prin respiratie. Fermentatia – o alta modalitate de a obtine energia Procesul respirator, aerob/anaerob nu reprezinta singura modalitate de obtinere a energiei de catre organismele vii; mai exista si o alta cale, mai veche, dar mult mai rar intalnita, si anume cea a fermentatiei. Fermentatia este un ansamblu de reactii degradative in absenta oxigenului. Randamentul energetic este mult mai mic fata de respiratie. In cazul degradarii fermentative a glucozei se traverseaza prima etapa – glicoliza; ca urmare se sintetizeaza numai doua molecule de ATP si nu 36, cate se sintetizeaza in respiratie. Fermentatiile sunt caracteristice microorganismelor unicelulare care au un metabolism anaerob. Se presupune ca aceste mecanisme sunt similare cu cele ale primelor forme de viata care au aparut pe pamant si care au trait intr-un mediu lipsit de oxigen. Exista mai multe tipuri de fermentatie; denumirea lor deriva de la un produs final pe care-l genereaza. Mai frecvente si cu importanta economica deosebit sunt fermentatiile alcoolica si lactica. Fermentatia alcoolica – a fost descoperita Pasteur (1860) care a numit-o „viata fara aer”; este caracteristica unor drojdii (drojdia de bere, drojdia vinului) care degradeaza glucoza la doua molecule de acid piruvic. Acidul piruvic va fi apoi redus la alcool etilic cu producerea de dioxid de carbon care va fi eliberat din celula ca produs rezidual. Umflarea si caracterul alveolar al aluatului, ca si fierberea mustului se datoresc acestui gaz degajat. Reactia poate fi sintetizata astfel: glicoliza fermentatie Glucoza ———› acid piruvic ————› alcool etilic + CO2 alcool Fermentatia alcoolica este de o importanta exceptionala pentru existenta oamenilor. Ea sta la baza prepararii aluatului pentru paine, a producerii vinului si berii etc. Industria fermentativa este una dintre cele mai dezvoltate si profitabile ramuri ale industriei alimentare. Fermentatia lactica – este tipica bacteriilor lactice. In cadrul fermentatiei are loc reducerea acidului piruvic, produs prin glicoliza, la acid lactic, care este excretat din celula. Producerea iaurtului se bazeaza pe aceasta reactie: glicoliza fermentatie glucoza ———› acid piruvic ————› acid lactic lactica fermentatia lactica poate aparea si in celulele musculare dupa un efort intens, prelungit. Aparitia acestei cai metabolice se datoreaza carentei de oxigen. Aprovizionarea cu oxigen este insuficienta pentru metabolizarea intregii cantitati de acid piruvic rezultat prin glicoliza. Cu alte cuvinte este blocat in buna parte ciclul Krebs, ceea ce duce la reducerea acidului piruvic excedentar la acid lactic, in citosol. Se acumuleaza astfel in muschi, progresiv, tot mai mult acid lactic, iar la un anumit nivel blocheaza contractia fibrelor musculare. Acum apar crampele musculare. Dupa incetarea efortului, celula musculara primeste suficient oxigen; acidul lactic este transformat in acid piruvic; se reactiveaza ciclul Krebs si catena respiratorie, care vor degrada acidul piruvic pana la dioxid de carbon si apa. Muschii devin apti de noi eforturi (contractii). Autor: Negru Ionut Valenti Clasa: a IX – a E
