I mitocondri, universalmente conosciuti come le "centrali energetiche della cellula", hanno una storia affascinante, da semplici batteri a organelli insostituibili di cellule grandi e complesse.
Cosa Sono i Mitocondri?
I mitocondri sono organelli microscopici presenti in grandi quantità all’interno delle cellule. Sono considerati le centrali energetiche degli organismi.
Il mitocondrio è un organello cellulare di forma allungata, simile ad un fagiolo, con un diametro compreso tra 0,5-1 µm e una lunghezza di 1-4 µm (1µm = 1 micrometro = 10-6 m). È costituito da due membrane indipendenti e altamente specializzate.
Tra le due membrane si viene a creare uno spazio, denominato spazio intermembrana. Nella matrice sono contenuti gli enzimi coinvolti nei processi metabolici del mitocondrio (ciclo di Krebs e Beta-ossidazione) e i loro substrati energetici, le molecole di DNA mitocondriale, i ribosomi, e granuli contenenti ioni calcio o altre molecole.
La membrana esterna è composta dal 50% di lipidi e dal 50% di proteine.
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All'interno, infatti, avvengono quei processi biochimici (respirazione mitocondriale) che forniscono alle cellule l’energia di cui hanno bisogno per tutte le loro funzioni vitali.
Questi organelli sono infatti i lontani discendenti di antichi batteri in grado di utilizzare ossigeno per produrre energia, un trucco che nel passato ancestrale, probabilmente 2 miliardi di anni fa, era di fondamentale importanza, vista la crescita continua della concentrazione del reattivo elemento nell’atmosfera.
È probabilmente in quel remoto passato che una cellula un poco più grande, incapace di sfruttare l’ossigeno, ha inglobato uno di questi batteri che con l’ossigeno invece ci sapeva fare: contro ogni possibile previsione, le due cellule, così diverse, hanno imparato a convivere, attraverso un lungo processo di adattamento durato più di un miliardo di anni, stabilendo una relazione simbiotica che ha reso possibile la nascita di cellule più grandi e complesse, le cellule eucariote, le stesse che formano il nostro corpo.
I mitocondri conservano tracce del loro passato di procarioti, hanno infatti mantenuto un DNA indipendente, un anello di poco più di 16.000 nucleotidi che codifica per 13 proteine che sono costituenti essenziali delle complesse strutture grazie alle quali viene prodotta energia: il resto dei geni che codifica per le proteine mitocondriali è stato invece trasferito nel DNA nucleare della cellula “ospite”.
I mitocondri sono trasmessi esclusivamente per via materna e ogni cellula ne contiene da qualche centinaio a qualche migliaio.
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La cellula con il più abbondante contenuto di mitocondri è l’ovulo, che li trasmette a tutte le cellule che da esso si originano dopo la fecondazione, mentre i mitocondri portati dallo spermatozoo vengono distrutti.
I mitocondri si trasmettono quindi per via materna, uno dei motivi per cui le variazioni che si osservano nel DNA mitocondriale sono utilizzate per studi di genetica delle popolazione e biologia evoluzionistica.
Un singolo mitocondrio ha la forma di un bastoncello, con lunghezza molto variabile, che può arrivare fino a a 4 milionesimi di metro.
L’organello è delimitato da due membrane, una esterna, che lo racchiude completamente, formata da fosfolipidi e da proteine che hanno funzione di trasporto e permettono il passaggio di materiale tra il citoplasma della cellula e il mitocondrio, e una interna, anche questa formata da fosfolipidi, con elevata presenza di cardiolipina, una molecola caratteristica di questa struttura, dove svolge un ruolo fondamentale in un gran numero di processi.
La membrana interna è ricchissima di proteine, alcune con funzione di trasporto, altre impegnate nella produzione di energia.
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La membrana interna si ripiega a formare un gran numero di creste che ne espandono notevolmente la superficie e la capacità di produrre ATP.
La vulgata scientifica vuole che i mitocondri siano “la centrale energetica della cellula”, una definizione un poco riduttiva ma sostanzialmente corretta.
Funzioni Principali dei Mitocondri
La loro funzione principale è quella di produrre energia mediante un processo metabolico chiamato fosforilazione ossidativa (OXPHOS). Più del 90% dell'energia utilizzata dal nostro organismo viene prodotta nei mitocondri.
Il mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni. La più importante tra esse consiste nell’estrarre energia dai substrati organici che gli arrivano per produrre un gradiente ionico che viene sfruttato per produrre adenosintrifosfato (ATP).
È la funzione principale del mitocondrio e viene svolta utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato e il NADH.
Fosforilazione Ossidativa
È il processo con cui vengono prodotte le molecole di ATP, ovvero la fonte di energia utilizzabile dai processi cellulari.
Gli elettroni ad alta energia, provenienti dalle vie metaboliche, vengono ceduti ai complessi della catena di trasporto degli elettroni presenti sulle creste mitocondriali, liberando energia ad ogni trasferimento da un complesso all'altro.
L'energia liberata viene sfruttata per pompare protoni (H+) contro gradiente dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana.
Dopo il passaggio nella catena di trasporto, gli elettroni si trovano in uno stato di minore energia e vengono ceduti a molecole di ossigeno, che combinandosi con 2 elettroni e 2 protoni vengono ridotti ad acqua (H2O).
La fosforilazione ossidativa coinvolge una novantina di proteine organizzate in cinque strutture complesse, che insieme costituiscono la catena respiratoria, localizzate in un gran numero di copie sulla membrana interna del mitocondrio.
In queste strutture gli elettroni provenienti dall’ossidazione di carboidrati e grassi, raccolti da molecole specializzate, NAD+ e FAD, sono sfruttati per accumulare protoni (H+) nello spazio tra le membrane del mitocondrio, e sono infine trasferiti all’ossigeno con formazione di acqua.
Attraverso un complesso multienzimatico avente le funzioni di catena di trasporto, gli elettroni, dopo una serie di passaggi intermedi, vengono ceduti all’ossigeno molecolare (O2) che viene ridotto ad acqua.
Da questa reazione, come quello prodotto dalle reazioni del ciclo di Krebs, cede gli equivalenti riducenti alla catena respiratoria.
Il funzionamento del complesso della piruvico deidrogenasi è strettamente correlato, quindi, al processo di OXPHOS.
Le reazioni viene utilizzata dal complesso V, o ATP sintetasi, per produrre ATP, il "carburante" fondamentale del metabolismo cellulare.
Ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico è un processo metabolico che avviene nel mitocondrio, e tramite una serie di 8 reazioni consente la completa ossidazione dei substrati organici.
Le molecole in entrata nel ciclo di Krebs sono gli Acetil-CoA (che si formano durante la degradazione di glucidi, lipidi, aminoacidi), i quali alla fine del ciclo vengono ossidati ad anidride carbonica (CO2).
Durante il ciclo si ha la produzione diretta di GTP (fosforilazione a livello del substrato) e di elettroni ad alta energia da inviare alla catena di trasporto degli elettroni tramite i trasportatori solubili NAD e FAD.
Beta-ossidazione
Le lunghe catene di carbonio che costituiscono gli acidi grassi vengono ossidate nel mitocondrio per formare molecole di Acetil-CoA, i quali confluiscono nel ciclo di Krebs.
L'idrolisi dell'acido grasso avviene per accorciamento di 2 atomi di carbonio per volta, ovvero sul carbonio Beta partendo dall'estremità della catena, producendo a ogni accorciamento una molecola di Acetil-CoA.
DNA Mitocondriale (mtDNA)
I mitocondri sono dotati di un proprio DNA, chiamato DNA mitocondriale (mtDNA).
Il genoma mitocondriale contiene 16569 coppie di basi e possiede 37 geni codificanti per due RNA ribosomiali (rRNA), 22 RNA di trasporto (tRNA) e 13 proteine che fanno parte dei complessi enzimatici deputati alla fosforilazione ossidativa.
In ogni mitocondrio si trovano da due a dieci copie del genoma.
Dopo la fecondazione, i mitocondri presenti nel nuovo individuo (zigote) provengono solo dalla cellula uovo (oocita).
Per fare ciò i mitocondri utilizzano l'energia presente nelle molecole che costituiscono gli alimenti (zuccheri, grassi, proteine) e la trasferiscono nelle molecole di ATP. L'ultima fase di questo processo utilizza l'ossigeno ed è detta fosforilazione ossidativa. Durante lo svolgimento di quest'ultima si possono formare dei composti, noti come radicali liberi dell'ossigeno che, se presenti in eccesso, possono causare danni ai costituenti delle cellule e, in particolare, ai mitocondri stessi in un processo noto come stress ossidativo.
La presenza della catena di trasporto degli elettroni con la sua capacità di produrre radicali liberi, la mancanza di istoni e i limitati sistemi di riparo rendono il DNA mitocondriale facilmente danneggiabile e, in effetti, il suo tasso di mutazione è circa dieci volte maggiore di quello nucleare.
In particolare, l'invecchiamento dell'organismo va di pari passo con l'invecchiamento dei mitocondri.
Dopo la fecondazione, i mitocondri presenti nel nuovo individuo (zigote) provengono solo dalla cellula uovo (oocita) e trasmetteranno a loro volta la mutazione alla loro progenie (eredità matrilineare).
Vi sono centinaia di molecole di mtDNA all'interno di ogni cellula. In condizioni normali, tutte le molecole di mtDNA sono identiche (omoplasmia). In alcuni casi, possono coesistere molecole di mtDNA normale e una mutata (condizione detta eteroplasmia).
Disfunzione Mitocondriale e Patologie
Per un alterato funzionamento mitocondriale, la sopravvivenza delle cellule e, conseguentemente, quella del nostro organismo sono a rischio.
I tessuti e gli organi più colpiti in presenza di una disfunzione mitocondriale sono quelli che "consumano" più energia: cervello, muscoli, cuore.
Le disfunzioni mitocondriali possono manifestarsi con sordità, atrofia ottica, diabete, disfunzioni epatiche e renali, problemi intestinali, ed alterazioni enzimatici della catena respiratoria mitocondriale (complesso I; complesso II; complesso III; complesso IV o citocromo c ossidasi).
Il meccanismo è prodigioso nella sua raffinatezza, nella sua complessità e nella sua efficienza, tuttavia non è esente da problemi. Il passaggio di elettroni attraverso queste strutture è in effetti soggetto a perdite più o meno rilevanti, e l’entità di queste perdite è funzione di molti fattori diversi.
Nei mitocondri, gli elettroni che sfuggono all’ordinato passaggio attraverso i complessi proteici della catena respiratoria reagiscono con l’ossigeno per formare diverse specie reattive (ROS Reactive Oxygen species o Specie reattive dell’ossigeno).
I mitocondri sono in effetti una centrale energetica ma, come in tutte le centrali l’energia prodotta ha un costo che non è soltanto quello delle materie prime che vengono ossidate - le molecole che provengono dal cibo che consumiamo - ma è anche un costo “ambientale” legato alle rilevante produzione di radicali liberi, ancora più pericolosi vista la prossimità al DNA mitocondriale; quando trovate una molecola di fondamentale importanza nel cuore di un reattore che perde sostanze tossiche non vi aspettate che qualcosa possa andare storto?
I mitocondri fanno un lavoro pericoloso, maneggiano ossigeno, una sostanza molto reattiva, ed elettroni, particelle cariche di energia.
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