I mitocondri sono organelli intracellulari presenti in quasi tutte le cellule del corpo. Sono considerati le centrali energetiche degli organismi. Al loro interno infatti avvengono quei processi biochimici (respirazione mitocondriale) che forniscono alle cellule l’energia di cui hanno bisogno per tutte le loro funzioni vitali.
Ma cosa sono esattamente i mitocondri? Il mitocondrio è un organello cellulare a forma di fagiolo ereditato per via materna. Il significato di mitocondrio viene dal greco: mitos significa filo e chondros granello. Questi organuli sono presenti nel citoplasma di tutte le cellule animali a metabolismo aerobico e nelle cellule eucariote vegetali. La lunghezza del mitocondrio è di 1-5 micrometri.
Struttura dei Mitocondri
Questo organulo è circondato da due membrane separate dallo spazio intermembrana. La membrana esterna del mitocondrio è liscia, costituita da lipidi e molte copie della membrana di trasporto, denominata porina. 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 membrana interna è ricchissima di proteine, alcune con funzione di trasporto, altre impegnate nella produzione di energia. Il mitocondrio contiene anche una matrice, una sostanza gelatinosa che riempie l’interno dell’organello, dove si trovano enzimi cruciali per il ciclo di Krebs e altre vie metaboliche.
Funzioni dei Mitocondri
Il mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni. Oltre alla produzione di energia, i mitocondri svolgono altre funzioni vitali, come la regolazione del metabolismo del calcio, la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la partecipazione alla segnalazione cellulare e all’apoptosi. Essi possono essere di molteplice natura (caspasi, ceramide, vari tipi di chinasi, ganglioside GD3, ecc…) e sono in grado di determinare l’apertura di un complesso poliproteico chiamato poro di transizione mitocondriale.
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Produzione di Energia
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). Questa è la funzione principale dei mitocondri. È la funzione principale del mitocondrio e viene svolta utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato e il NADH. Il muscolo ha bisogno di energia per contrarsi e il principale rifornitore di questa energia è proprio il mitocondrio. Può regalare alla cellula muscolare ben 32 molecole di ATP e quindi di energia.
Ciclo di Krebs
Chiamato anche ciclo dell’acido citrico, è il processo metabolico che produce energia attraverso l’ossidazione dell’acetil coenzima A, dalla degradazione dei glucidi, lipidi e amminoacidi ad anidride carbonica.
Fosforilazione Ossidativa
Si tratta dell’ultima parte della respirazione cellulare, dove si producono le molecole di ATP. Questa parte è divisa in due fasi. Nella prima fase viene generato un gradiente nello spazio intermembrana. 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.
Altre Funzioni
- Partecipa alla sintesi del gruppo EME, sfruttando intermedi del ciclo di Krebs.
- Partecipa alla gluconeogenesi portando alla produzione di glucosio a partire da alcuni precursori, come il piruvato, il lattato e il glicerolo.
- Partecipa alla sintesi degli ormoni steroidei.
- Smista gli stimoli apoptotici. Al mitocondrio arrivano le informazioni molecolari che inducono l’apoptosi, la morte cellulare programmata.
- Deposito di cationi Ca2+ e Mg2+.
- Produzione di calore. Il mitocondrio sfrutta una proteina con una struttura simile a quella del Complesso V, la termogenina, che non sintetizza ATP muovendosi, ma semplicemente aumenta la temperatura corporea.
Il DNA Mitocondriale (mtDNA) e la Sintesi Proteica
Un aspetto affascinante è che i mitocondri possiedono un proprio DNA mitocondriale (mtDNA), distinto da quello del nucleo cellulare. 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.
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.
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Il mtDNA è anche più suscettibile a mutazioni rispetto al DNA nucleare, a causa della vicinanza ai siti di produzione di ROS e della mancanza di efficienti meccanismi di riparazione del DNA. Il ruolo del mtDNA nella sintesi proteica è fondamentale, poiché codifica per componenti chiave dei complessi enzimatici coinvolti nella produzione di ATP.
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.
Ribosomi Mitocondriali
I ribosomi mitocondriali, noti anche come mitoribosomi, sono strutture specializzate che differiscono significativamente dai ribosomi citoplasmatici. Sono composti da due subunità, una grande e una piccola, che insieme formano il sito di sintesi proteica. La subunità grande del mitoribosoma contiene il rRNA 16S, mentre la subunità piccola contiene il rRNA 12S. Questi rRNA, insieme a numerose proteine ribosomiali, formano la struttura funzionale del mitoribosoma.
Il funzionamento dei mitoribosomi è essenziale per la traduzione dei mRNA mitocondriali in proteine. La trascrizione del mtDNA avviene nella matrice mitocondriale e inizia con la sintesi di un lungo trascritto primario che contiene sia i geni per le proteine che quelli per i tRNA e rRNA.
Una volta maturati, gli mRNA mitocondriali sono tradotti nei mitoribosomi. La traduzione inizia con il riconoscimento dell’mRNA da parte della subunità piccola del mitoribosoma, seguito dall’assemblaggio della subunità grande e dall’inizio della sintesi proteica.
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Regolazione della Sintesi Proteica Mitocondriale
La regolazione della sintesi proteica mitocondriale è un processo complesso che coinvolge numerosi livelli di controllo, dalla trascrizione del mtDNA alla traduzione degli mRNA mitocondriali. Uno dei principali meccanismi di regolazione è la modulazione dell’attività dell’RNA polimerasi mitocondriale e dei fattori di trascrizione associati. La regolazione post-trascrizionale è altrettanto importante e include la stabilità degli mRNA mitocondriali e l’efficienza della loro traduzione.
Mitocondri e Salute
I mitocondri negli ultimi anni sono diventati uno dei temi più discussi in ambito salute e benessere. La ricerca scientifica ha ormai dimostrato che i mitocondri sono molto più di “fabbriche di energia”. 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. Attraverso questo meccanismo i mitocondri sono in grado di sintetizzare la molecola di ATP, che rappresenta il carburante principale di tutte le reazioni cellulari. Oltre alla produzione energetica questi organelli producono segnali che modulano i processi cellulari stessi nonché l’espressione genetica. Ciò avviene grazie agli effetti dei radicali liberi e dei metaboliti provenienti proprio dai mitocondri.
La forza di questi organelli risiede anche nel fatto che sono organelli altamente dinamici fondendosi, separandosi tra loro e cambiando forma nell’arco di pochi minuti. I mitocondri nel corso degli ultimi 1.5 miliardi di anni sono stati fondamentali per l’evoluzione della vita sulla Terra.
Questi piccoli organelli modulano la risposta dell’organismo di fronte ad un aumento del fabbisogno energetico come avviene per esempio in caso di sport, stress psicofisico e nel corso delle malattie croniche. I mitocondri rispondono a molti fattori di natura genetica, metabolica, neuronali e ormonali ed a loro volta generano segnali che influenzano i processi cellulari e lo sviluppo di malattie. Il blocco in specifici enzimi mitocondriali causa l’accumulo di intermedi metabolici, che a loro volta possono provocare effetti sul funzionamento cellulare e fisiologico ponendo le fondamenta per la manifestazione dei sintomi. A loro volta i mitocondri sono particolarmente sensibili ad uno stile di vita scorretto, un’alimentazione poco equilibrata ed all’esposizione ad agenti tossici o inquinanti.
I mitocondri hanno attirato una notevole attenzione negli ultimi decenni, non solo dal punto di vista della scienza teorica ma anche di quella medica. In particolare, l'invecchiamento dell'organismo va di pari passo con l'invecchiamento dei mitocondri. Diversi fattori di origine mitocondriale sono alla base di molti disturbi cronici o legati all’invecchiamento. In particolare secondo le ultime evidenze le disfunzioni della forma e della funzionalità mitocondriali sono associate a disturbi dello spettro autistico, alle malattie metaboliche, cardiovascolari, renali ed alle malattie neurologiche (es. Alzheimer e Parkinson).
La sintesi di radicali liberi è anche un processo che, se opportunamente controllato, può essere una valida arma contro determinati microorganismi. Durante lo svolgimento della fosforilazione ossidativa 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.
Come si è visto precedentemente, il mitocondrio presenta alcune caratteristiche tipiche dei batteri: presenza di molecole di cardiolipina e assenza di colesterolo nella membrana interna, la presenza di un DNA circolare a doppie eliche e la presenza di ribosomi propri e di una doppia membrana.
Stante queste similitudini, la teoria endosimbiotica afferma che i mitocondri deriverebbero da ancestrali batteri, dotati di metabolismo ossidativo, che sarebbero stati inglobati dalle cellule eucariote con conseguente mutuo beneficio.
Strategie per Mantenere la Funzionalità Mitocondriale
Ci sono però due interventi che si sono dimostrati efficaci nel mantenere una buona funzionalità mitocondriale, interventi relativamente semplici, che richiedono un po’ di buona volontà: restrizione calorica e attività fisica.
La restrizione calorica (RC) è uno dei pochi interventi in grado di aumentare la longevità in un gran numero di esseri viventi, dai moscerini della frutta ai macachi. Diversi studi hanno mostrato che due-tre mesi di attività di intensità moderata (dal 50 al 70% della frequenza cardiaca massima) stimola la sintesi di nuovi mitocondri e ne migliora funzionalità ed efficienza, con effetti apprezzabili sia grazie ad attività di tipo aerobico sia grazie ad attività di forza.
Inoltre, l’esercizio riduce l’infiammazione sistemica, riduce la quantità di sostanza proinfiammatorie circolanti e stimola la proliferazione e l’attività dei vari gruppi di cellule coinvolte nella risposta immunitaria.
Un forte stress ossidativo, con aumento della produzione di radicali liberi, è problematico ma i radicali liberi rilasciati portano ad un aumento dei meccanismi di difesa che non solo mitigano lo stress ma stimolano anche la sintesi di nuovi mitocondri, un processo importante nel mantenere la cellula attiva e funzionale.
Si tratta di processi molto complessi, regolati da delicati equilibri tra un gran numero di componenti diverse, la cui azione è sottoposta ad un controllo fine che può essere turbato da fattori interni ed esterni.
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