I mitocondri sono organelli microscopici presenti in grandi quantità all’interno delle cellule. 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. Il più importante tra questi processi è la fosforilazione ossidativa.

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. Ciò fa sì che si possano avere sequenza mitocondriali differenti anche all’interno di uno stesso individuo.

 

Le funzioni del mitocondrio

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). Gli altri processi in cui il mitocondrio interviene sono: 

  • l’apoptosi
  • la regolazione del ciclo cellulare
  • la regolazione dello stato redox della cellula
  • la sintesi dell’eme
  • la sintesi del colesterolo
  • la produzione di calore

 

La produzione di energia

È la funzione principale del mitocondrio e viene svolta utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato e il NADH. Essi vengono sfruttati in due processi: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

 

Fosforilazione ossidativa: la catena di trasporto degli elettroni

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. Nel mitocondrio si possono isolare ben quattro complessi poliproteici responsabili del trasporto degli elettroni:

  • Complesso I (NADH deidrogenasi), che contiene almeno 30 diversi polipeptidi, una flavoproteina e 9 centri ferro-zolfo e per ogni coppia di elettroni fatta passare vengono trasferiti tre o quattro protoni
  • Complesso II (Succinato deidrogenasi), che, oltre a catalizzare una reazione del ciclo di Krebs, consente il trasferimento di elettroni al FAD e all’ubichinone ma non permette il passaggio di protoni
  • Complesso III (Citocromo c riduttasi), che contiene circa 10 polipeptidi e gruppi eme e un centro ferro-zolfo. Permette il passaggio di elettroni dall’ubichinone ridotto al citocromo c e per ogni coppia di elettroni trasferisce quattro protoni
  • Complesso IV (Citocromo c ossidasi), che contiene almeno 13 polipeptidi e permette il trasferimento di elettroni dal citocromo c all’ossigeno e anche lo spostamento dei protoni, anche se non ne è ben chiaro il numero (forse quattro per ossigeno ridotto).

Successivamente i protoni vengono rifatti passare attraverso la membrana interna, in un processo di diffusione facilitata tramite l’enzima ATP sintetasi, che ottiene così l’energia sufficiente per produrre molecole di ATP, trasferendo un gruppo fosfato a dell’ADP.

 

Il mitocondrio e l’apoptosi

Il mitocondrio funziona da centrale d’integrazione degli stimoli apoptotici. 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. Come risultato finale, il mitocondrio si riempie di liquido e la membrana esterna scoppia liberando nel citoplasma fattori stimolanti l’apoptosi come AIF (Apoptosis Inducing Factor), che è in grado di raggiungere il nucleo e attiva una via indipendente dalle caspasi in grado di degradare il DNA e il citocromo c, che si lega alle proteine Apaf-1 (apoptotic protease activating factor) e caspasi 9 e una molecola di ATP, formando un complesso definito apoptosoma. La caspasi 9 presente diviene in grado di attivare altre caspasi che danno il via a una cascata molecolare che si conclude con la degradazione del DNA a opera di fattori nucleari.

 

Il mitocondrio e lo stato ossidoriduttivo della cellula

Durante la fosforilazione ossidativa può accadere che un solo elettrone vada a ridurre una molecola di O2 determinando la produzione di un anione superossido (O2•), un radicale assai reattivo.

La sintesi di radicali liberi è anche un processo che, se opportunamente controllato, può essere una valida arma contro determinati microorganismi. Durante l’infiammazione, infatti, i leucociti polimorfonucleati sono soggetti a una produzione massiva di questi radicali per attivazione dell’enzima NADPH ossidasi.

Per far fronte alla presenza di radicali liberi, che potrebbero comportare dei gravi danni, la cellula deve utilizzare degli specifici sistemi atti alla loro eliminazione:

  • la catalasi, che è un enzima che catalizza la reazione di eliminazione del perossido di idrogeno (2 H2O2 → O2 + 2 H2O)
  • il glutatione (GSH), che determina l’eliminazione dei radicali liberi sfruttando il gruppo sulfidrile nella sua forma ridotta (H2O2 + 2 GSH → GSSG (omodimero di glutatione) + 2 H2O, 2 OH + 2 GSH → GSSG + 2 H2O)
  • vari antiossidanti quali l’acido ascorbico e le vitamine A ed E, il gruppo delle superossidodismutasi.

 

L’origine del mitocondrio: la teoria endosimbiotica

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. Come i batteri, i mitocondri non hanno istoni e i loro ribosomi sono sensibili ad alcuni antibiotici (come il cloramfenicolo). In più, i mitocondri sono organelli semiautonomi in quanto replicano, per scissione binaria, autonomamente rispetto alla cellula.

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. Successivamente i batteri avrebbero trasferito gran parte del loro materiale genetico a quello cellulare divenendo così mitocondri.