Mitocondriile sunt organite complexe, prezente în celulele tuturor organismelor aerobe (oxibionte). Conţin numeroase enzime capabile de a degrada unele substanţe organice până la dioxid de carbon şi apă şi de a pune în libertate o mare cantitate de energie. De aici şi numele lor, sugestiv, de uzinele energetice ale celulei.

Mitocondriile au aspectul unor vezicule elongate, cu un contur neregulat, care se pot fragmenta sau , dimpotrivă, pot fuziona. Diametrul redus face dificilă observarea lor "in vivo" la microscop. După o colorare adecvată (ex.

cu soluţia Lugol sau verde de Janus) ele devin vizibile sub forma unor granule sau bastonaşe. Într-o celulă sunt numeroase mitocondrii;ansamblul lor formează condriomul celular. Cercetările electromicroscopice au relevat existenţa unui plan unic de organizare al mitocondriilor.

O mitocondrie prezintă 2 componente structural - funcţionale: învelişul şi matrix mitocondrial sau condrioplasma. Învelişul mitocondrial - separă condrioplasma de hialoplasmă (citosol); este format din două membrane distincte. Membrana externă este netedă, prezintă numeroşi pori şi este mult mai permeabil decât cea internă.

Membrana internă se pliază şi formează numeroase cute numite criste. Prin formarea acestor, suprafaţa membranei se măreşte de până la 10 ori. Spre deosebire de cea externă, membrana internă este înalt impermeabilă şi este energizantă, adică are rol în conversaţia şi stocarea energiei sub formă de ATP.

Acest potenţial se datorează faptului că ea conţine maşinăria biochimică care funcţionează în respiraţia aerobă, catenele respiratori. Matrixul mitocondrial - reprezintă o mixtură de soluţii de substanţe organice şi minerale. Dominante sunt enzimele care catalizează degradarea acidului piruvic în cadrul unei serii ciclice de reacţii cunoscută sub numele de ciclul Krebs.


În matrix este înglobat un întreg aparat genetic de tip procariot, reprezentat de molecule de ADN şi ARN, ribozomi, enzime şi alţi factori implicaţi în replicare, transcriere şi translaţie, ceea ce constituie un puternic argument în sprijinul ipotezei endosimbiotice, care postulează originea bacteriană a mitocondriilor. Graţie acestui aparat genetic, propriu, mitocondriile sunt definite ca organite semiautonome, capabile de a sintetiza multe din moleculele structural - funcţionale proprii. Mitocondriile se perpetuează prin diviziune (condriotomie), fragmentare sau înmugurire.

Se transmit de la o generaţie celulară la alta;manifestă continuitate genetică şi nu se formează niciodată "de novo". Mitocondriile in respiratia celulara Mitocondriile au o compoziţie chimică strict specializată, capabilă de a cataliza reacţiile etapei (fazei) oxigenice a procesului de respiraţie. Prin urmare, funcţia esenţială a mitocondriei este cea legată de respiraţia celulară.

Respiratia celulara este un proces biologic complex în cadrul căruia sunt degradate substanţe organice până la substanţe minerale, printr-o serie de reacţii oxidative, cu eliberarea energiei în interiorul celulei. Energia chimică inclusă în moleculele organice nu poate fi utilizată direct pentru diversele activităţi celulare, nici chiar celulele care o produc, ca urmare, este necesar ca această chimică să fie convertită într-o formă mai accesibilă de "cheltuit". Această transformare are loc în timpul respiraţiei, când energia rezultată din degradarea substanţelor organice este utilizată pentru sinteza unei molecule speciale (o nucleosidă) denumită adenozin trifosfat(ATP), din adenozin difosfat(ADP) şi fosfat anorganic(P), conform reacţiei: ADP+P+E->ATP ATP a fost numit moneda energetică a celulei.

Odată sintetizat, el este transferat de la locul de sinteză în alte compartimente ale celulei unde energia este utilizată în diverse procese celulare: absorţia substanţelor nutritive împotriva unui gradient de concentraţie, sinteza de noi substanţe (proteine, glucide, acizi nucleici etc.), edificarea unor structuri celulare (ex. microtubuli, citoschelet, fus de diviziune), transportul intracelular, mişcarea organitelor locomotori (flageli, cili, pseudopode) ş.

a. Energia ATP este eliberată prin degradarea (hidroliza) acestuia la ADP + P, printr-o reacţie inversă celei anterioare: ATP->ADP+P+E(ENERGIE METABOLICA) În timpul unei reacţii de oxidare, un atom sau o moleculă pierde electroni. Întrucât în natură nu există electroni în stare liberă, înseamnă că ei vor fi luaţi de la un atom al altei molecule.

Achiziţia unui electron constituie o reacţie de reducere. Reducerea este o reacţie care absoarbe energie. Dimpotrivă, oxidarea este o reacţie care degajă energie.

În celulele vii orice reacţie de oxidare formează "o pereche" de reacţii interdependente, cunoscută sub numele de reacţie de oxido-reducere. Cele două reacţii cuplate pot fi reprezentate astfel: X -> X + 1 electron; Y + 1 electron -> Y oxidare reducere (X =moleculă oxidată; Y = moleculă redusă) . Molecula care pierde electroni este donatoare de electroni şi se oxidează; . Molecula care primeşte electroni este acceptoare de electroni şi se reduce. . Moleculele organice cu un număr mare de atomi de hidrogen (superior celui al atomilor de oxigen) sunt surse eficiente de energie, deoarece tind să piardă electroni şi ioni de hidrogen.

O astfel de moleculă este şi cea de glucoză (C6H12O6) în care numărul atomilor de hidrogen este dublu faţă de cel al atomilor de oxigen. . Degradarea glucozei în respiraţie poate fi sintetizată prin următoarea reacţie oxidativă: C6H12O6 + 6H2O -> 6CO2 + 6H2O + 36 mol ATP (=686 Kcal) În acest fel energia este eliberată din "închisoarea" moleculelor organice. În forma sa cea mai simplificată, oxidarea implică unirea unor substanţe cu oxigenul, fenomen cunoscut şi sub numele de ardere.

În arderea unui băţ de chibrit oxigenul din aer se uneşte cu lemnul, pe care-l degradează până la dioxid de carbon şi apă. Concomitent este eliberată energie sub formă de căldură şi lumină. Respiraţia, care implică o serie de reacţie de oxidare, este, aşadar, un proces analog arderii unui combustibil.

Totuşi, într-o viziune mai profundă şi cuprinzătoare, reacţiei oxidative din respiraţie sunt arderi lente, cu degajare progresivă, în cantităţi foarte ici, a energiei eliberate. Se evită astfel arderea celulei şi se oferă posibilitatea ca celula să conserve energiei eliberată. Mai mult decât atât, unele procese oxidative - respiratorii se pot desfăşura în absenţa oxigenului, acceptorul final de electron fiind compus anorganic sau mai rar organic.

Aceasta este respiraţia anaerobă. În cadrul procesului de respiraţie, reacţiile oxidative prin care se eliberează energia sunt cuplate cu reacţii care absorb energia. Aceste reacţii cuplate sunt cheia reacţiilor în procesele biosintetice.

Procesul respiraţiei celulare poate fi divizat în două faze/etape: . Etapa citosolică, anaerobă/anoxigenică . Etapa mitocondrială, aerobă/oxigenică Prima etapă cunoscută sub numele de dependentă de prezenţa oxigenului. În această fază o moleculă de glucoză este ruptă cu ajutorul unor enzime în două molecule mai mici, cu 3 atomi de carbon, de acid piruvic. Totodată se eliberează o anumită cantitate de energie, pe baza căreia sunt sintetizate două molecule de ATP.

Reacţia poate fi reprezentată astfel: 1 mol. glucoză - enzime degradative -> 2 mol. acid piruvic + 2 mol.

ATP (energie) Odată format, acidul piruvic intră în mitocondrie unde se desfăşoară etapa a doua a procesului de respiraţie. În matrixul mitocondrial, în urma mai multor reacţii de oxido - reducere, succesive, ordonate (ansambul lor formează ciclul Krebs) moleculele de acid piruvic sunt degradate enzimatic, complet până la substanţe minerale (în cazul organismelor aerobice, acestea sunt CO2 şi H2 O). În urma acestor reacţii degradative rezultă o mare cantitate de energie, care este, de asemenea, conservată prin sinteza altor molecule de ATP.

În total, prin degradarea respiratorie a unei molecule de glucoză, se obţin 36 molecule de ATP, în care stocate 686 Kcal. ATP este principalul compus care este sintetizat de toate organismele în timpul respiraţiei celulare. Energia este astfel temporar depozitată într-o formă de utilizat în toate procesele vitale celulare.

Viaţa înseamnă, înainte de orice, energie, iar aceasta este pusă la dispoziţia organismelor prin respiraţie. Fermentaţia - o altă modalitate de a obţine energia Procesul respirator, aerob/anaerob nu reprezintă singura modalitate de obţinere a energiei de către organismele vii; mai există şi o altă cale, mai veche, dar mult mai rar întâlnită, şi anume cea a fermentaţiei. Fermentaţia este un ansamblu de reacţii degradative în absenţa oxigenului.

Randamentul energetic este mult mai mic faţă de respiraţie. În cazul degradării fermentative a glucozei se traversează prima etapă - glicoliza; ca urmare se sintetizează numai două molecule de ATP şi nu 36, câte se sintetizează în respiraţie. Fermentaţiile sunt caracteristice microorganismelor unicelulare care au un metabolism anaerob.

Se presupune că aceste mecanisme sunt similare cu cele ale primelor forme de viaţă care au apărut pe pământ şi care au trăit într-un mediu lipsit de oxigen. Există mai multe tipuri de fermentaţie; denumirea lor derivă de la un produs final pe care-l generează. Mai frecvente şi cu importanţă economică deosebit sunt fermentaţiile alcoolică şi lactică.

Fermentaţia alcoolică - a fost descoperită Pasteur (1860) care a numit-o "viaţă fără aer"; este caracteristică unor drojdii (drojdia de bere, drojdia vinului) care degradează 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 celulă ca produs rezidual. Umflarea şi caracterul alveolar al aluatului, ca şi fierberea mustului se datoresc acestui gaz degajat.

Reacţia poate fi sintetizată astfel: glicoliza fermentaţie Glucoza ---> acid piruvic ----> alcool etilic + CO2 alcool Fermentaţia alcoolică este de o importanţă excepţională pentru existenţa oamenilor. Ea stă la baza preparării aluatului pentru pâine, a producerii vinului şi berii etc. Industria fermentativă este una dintre cele mai dezvoltate şi profitabile ramuri ale industriei alimentare.

Fermentaţia lactică - este tipică bacteriilor lactice. În cadrul fermentaţiei are loc reducerea acidului piruvic, produs prin glicoliză, la acid lactic, care este excretat din celulă. Producerea iaurtului se bazează pe această reacţie: glicoliza fermentaţie glucoza ---> acid piruvic ----> acid lactic lactică fermentaţia lactică poate apărea şi în celulele musculare după un efort intens, prelungit.

Apariţia acestei căi metabolice se datorează carenţei de oxigen. Aprovizionarea cu oxigen este insuficientă pentru metabolizarea întregii cantităţi de acid piruvic rezultat prin glicoliză. Cu alte cuvinte este blocat în bună parte ciclul Krebs, ceea ce duce la reducerea acidului piruvic excedentar la acid lactic, în citosol.

Se acumulează astfel în muşchi, progresiv, tot mai mult acid lactic, iar la un anumit nivel blochează contracţia fibrelor musculare. Acum apar crampele musculare. După încetarea efortului, celula musculară primeşte suficient oxigen; acidul lactic este transformat în acid piruvic; se reactivează ciclul Krebs şi catena respiratorie, care vor degrada acidul piruvic până la dioxid de carbon şi apă.

Muşchii devin apţi de noi eforturi (contracţii).