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Molta della nostra conoscenza della funzione mitocondriale deriva dallo studio delle sostanze tossiche. Gli inibitori specifici sono stati usati per distinguere il sistema di trasporto dell'elettrone dal sistema di fosforilazione ed hanno aiutato a definire la sequenza degli elementi portatori di riduzione lungo la catena respiratoria. Se la catena è bloccata allora tutti gli intermediari dal lato del substrato del blocco sono ridotti, mentre tutto quelli dal lato dell'ossigeno sono ossidati. È facile da vedere che cosa è accaduto perché gli elementi portanti ossidati e ridotti differiscono spesso nelle loro proprietà spettrali. Se è disponibile una gamma di inibitori diversi allora molti portatori respiratori possono essere disposti nell'ordine corretto.
Ci sono sei tipi distinti di sostanze tossiche che possono interessare la funzione mitocondriale:
1) Inibitori della catena respiratoria (per es. cianuro, antimicina, rotenone & TTFA) bloccano la respirazione in presenza sia di ADP sia di disaccoppiatori.
2) Inibitori della fosforilazione (per es, l'oligomicina) abolisce la punta di consumo dell'ossigeno dopo l'aggiunta dell'ADP, ma non ha effetto sulla respirazione stimolata da disaccoppiatore.
3) Agenti di disaccoppiamento (per es. dinitrofenolo, CCCP, FCCP) aboliscono il collegamento obbligatorio fra la catena respiratoria ed il sistema di fosforilazione che si osserva nei mitocondri intatti.
4) Inibitori di trasporto (per es. atrattiloside, acido bongcrecico, NEM) sia prevenendo l'esportazione dell?ATP, sia l'importazione delle materie prime attraverso la membrana interna mitocondriale.
5) Ionofori (per es. la valinomicina, il nigericin) rendono membrana interna permeabile a sostanze che ordinariamente non possono attraversarla.
6) Inibitori del ciclo di Krebs (per es. l'arsenito, l'aminoossiacetato) i quali bloccano uno o più degli enzimi del ciclo TCA, o una reazione collegata.
Alcune delle sostanze più note sono elencate qui sotto:
Disaccoppiatori e
ionofori: Tutte queste sostanze sono piccole molecole amfipatiche
che si sciolgono nel doppio foglio fosfolipidico ed aumentano enormemente la
sua permeabilità ionica. Proteggono la carica elettrica mentre lo ione
attraversa la membrana, fornendo un ambiente polare per lo ione e una faccia
idrofoba al mondo
esterno. L'ionoforo trasporta una varietà di ioni, ma disgiungendo specificamente
gli agenti aumenta la permeabilità protonica, e sconnette la catena di trasporto degli elettrone dalla formazione
dell'ATP. Alcuni ionofori sono prodotti naturali isolati dai
microorganismi, ma altri sono sostanze sintetiche, adeguate ad un'applicazione
specifica. Gli agenti disgiungenti sono tutti sintetici, anche se ci è regolato
delicatamente disgiungendo la proteina addetta alla termogenesi
nei mitocondri marrone del tessuto adiposo.
Nei mitocondri intatti, il CCCP entra in formaprotonata, scarica il gradiente pH, ed allora agisce subitoi come anione, distruggendo il potenziale di membrana. Il processo può essere ripetuto milioni di volte, in modo che una quantità molto piccola di CCCP può catalizzare il movimento di un numero enorme di protoni, e cortocircuitare la catena respiratoria.
L'ionoforo può essere diviso in forma di canale (tipo la gramicidina) che formano un poro molto piccolo attraverso la membrana, e gli elementi portanti mobili che si diffondono avanti ed indietro attraverso la membrana. Gli ionofori sono usati studiare i mitocondri normalmente appartengono al gruppo dei portatori mobili. Mostrano una specificità ionica considerevole perché lo ione deve essere accomodato all'interno di uno spazio limitato all'interno del portatore:: ci sono ionofori del potassio, ionofori del calcio e così via.
Valinomicina: Questo portatore mobile catalizza il movimento elettrico del K+ attraverso il doppio foglio fosfolipidico. Ciò implica che la distribuzione del potassio attraverso la membrana obbedisca all'equazione di Nernst una volta che è stato raggiunto l'equilibrio.
È un'ammide ciclicaestere nel quale la sequenza isovalerato D-idrossilato, L-valina, L-allatti e la D-valina è ripetuta tre volte (- A-B-C-D-
nello
schema). Lo ionoforo fornisce un polare interno per ospitare lo ione
potassio, ma presenta un esterno lipofilico non polare al mondo esterno.
In alcuni casi (per es. la valinomicina) lo ionoforo - ione complesso ha
una carica
elettrica netta, considerando che l'elemento portante vuoto è neutro. Altri
ionofori (per es. la nigericina) forma soltanto complessi elettricamente neutri.
La carica fa una differenza enorme al comportamento di ogni elemento
portante, poiché i complessi caricati interagiscono con tutti i potenziali
della membrana, considerando che i complessi neutri rimangono inalterati. Parliamo
dei meccanismi elettrici ed elettricamente neutri
dell'elemento portante per attirare l'attenzione su questa differenza.
Questo concetto può estendersi per coprire le proteine naturali di
trasporto nella membrana mitocondriale interna. Molte di queste proteine (ed
alcuni ionofori)
catalizzano il passaggio di un legando per un altro, quindi il termine antiportatori.
Inoltre parliamo degli simportatori (due molecole
che viaggiano insieme nello
stesso senso) e di uniportatori (una molecola viaggia da sola.) ancora una volta, la
precisa della carica stechiometrica ha un'influenza enorme sui
risultati.
Termogenesi da brivido: I mitocondri che si trovano nel tessuto adiposo marrone contengono una proteina disgiungente unica denominata termogenina, la quale permette l'entrata controllata dei protoni senza stesi di ATP per generare calore. La proteina è un dimero 33kd, relativo strutturalmente al portatore nucleotide adenina. È inibito da GTP, e l'attivazione è controllata dal sistema nervoso simpatico. Questo processo è particolarmente importante in bambini appena nati, quale può perdere molto velocemente il calore ai loro dintorni, ma si presenta inoltre negli adulti ed in animali in ibernazione. Contrariamente al tessuto adiposo bianco più familiare, il grasso marrone ha un rifornimento capillare eccellente di sangue e può realizzare i tassi metabolici molto alti. Il deposito principale in esseri umani è dietro le scapole, con altre zone lungo la spina dorsale. Il colore marrone risulta dagli enzimi respiratori.
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