LA RESPIRAZIONE AEROBICA E IL MITOCONDRIO

Gli organismi che nel passato potevano incorporare l'02 atmosferico potevano metabolizzare completamente l'acido lattico e l'etanolo fino a C02 e H20 e, nel corso del processo, estrarre una percentuale maggiore del loro contenuto energetico, cioe' arrivare al completo catabolismo. Questi organismi che divennero dipendenti dall'ossigeno rappresentavano sulla Terra i primi aerobi, dando infine origine a tutti i procarioti e gli eucarioti ossigeno-dipendenti oggi viventi. Negli eucarioti, l'utilizzazione dell'ossigeno come meccanismo per estrarre energia ha luogo in un organello specializzato, il mitocondrio. Da un gran numero di dati sembra che i mitocondri si siano evoluti da un antico batterio aerobico che si e' stabilito all'interno del citoplasma di un ospite cellulare anaerobico.

STRUTTURA E FUNZIONE DEI MITOCONDRI

I mitocondri sono abbastanza grandi da risultare visibili al microscopio ottico e la loro presenza nelle cellule e' nota da piu' di cento anni. In funzione del tipo cellulare, i mitocondri possono presentarsi con caratteristiche morfologiche molto diverse. In alcuni casi, i mitocondri possono apparire come singole entita' con una forma a fagiolo, con un diametro variabile tra circa 1 e 4 m di lunghezza. In altri casi, i mitocondri possono presentarsi come reticoli tabulari fortemente ramificati ed interconnessi. Questo tipo di struttura mitocondriale puo' essere osservata nella fotografia al microscopio che apre questo capitolo. L'osservazione di cellule viventi i cui mitocondri sono stati marcati con traccianti fluorescenti ha dimostrato che essi sono organelli dinamici la cui forma puo' essere modificata drasticamente. Inoltre, i mitocondri si possono fondere tra loro oppure dividersi in due.

Negli ultimi anni, la nostra comprensione della fissione e fusione dei mitocondri e' aumentata con lo sviluppo di saggi in vitro per il loro stadio e mediante l'identificazione delle proteine richieste per entrambi gli eventi. L'equilibrio tra fusione e scissione e' probabilmente il maggior determinante nel numero totale dei mitocondri, nella lunghezza di essi e nel grado di interconnessioni. Quando la fusione diventa piu' frequente della scissione, i mitocondri tendono a diventare piu' allungati ed interconnessi, mentre quando la scissione diventa predominante si ha la formazione di mitocondri piu' numerosi e distinti. Un certo numero di malattie neurologiche ereditarie sono causate da mutazioni in geni che codificano per componenti del macchinario di fusione mitocondriale. Circa il 15-20% del volume cellulare di una tipica cellula del fegato di mammifero e' occupato da mitocondri e quest'ultimi contengono piu' di mille differenti proteine. Questi organelli sono meglio conosciuti per il loro ruolo nel generare l'ATP che e' usato per guidare la maggior parte delle attivita' della cellula che richiedono energia. Per svolgere questa funzione, i mitocondri sono associati spesso con goccioline d'olio contenenti acidi grassi, da cui derivano materiali grezzi da ossidare. Una disposizione di mitocondri particolare si osserva negli spermatozoi, in cui essi sono localizzati nella regione intermedia, proprio dietro il nucleo. I movimenti dello spermatozoo sfruttano l'ATP prodotto in questi mitocondri. I mitocondri sono molto numerosi anche in molte cellule vegetali, per le quali sono i principali fornitori di ATP nei tessuti non fotosintetici, come anche una sorgente di ATP nelle cellule fotosintetizzanti della foglia durante i periodi di oscurita'.

Il metabolismo energetico e' stato l'argomento di principale interesse nello studio dei mitocondri, ma questi organelli sono coinvolti anche in altre attivita' non strettamente correlate al metabolismo energetico. Per esempio, i mitocondri rappresentano i siti di sintesi di numerose sostanze, come certi amminoacidi e i gruppi eme. I mitocondri giocano anche un ruolo di vitale importanza nella cattura e rilascio degli ioni calcio. Gli ioni calcio sono essenziali per innescare molte attivita' cellulari e insieme al reticolo endoplasmatico svolgono un ruolo molto importante nel regolare la concentrazione di Ca2+ nel citosol. Anche il processo di morte cellulare, che svolge un ruolo chiave nella vita degli organismi pluricellulari, e' regolato in gran parte da eventi che si verificano a livello dei mitocondri.

Le membrane mitocondriali

La struttura interna di un mitocondrio comprende un margine esterno del mitocondrio che contiene due membrane: la membrana mitocondriale esterna e la membrana mitocondriale interna. La membrana mitocondriale esterna racchiude completamente il mitocondrio e ne rappresenta il confine esterno. La membrana mitocondriale interna e' suddivisa in due domini interconnessi. Uno di questi domini, chiamato membrana delimitante interna, si estende appena sopra l'altra membrana mitocondriale, formando un rivestimento esterno a doppia membrana. La membrana delimitante interna e' particolarmente ricca in proteine implicate nell'importo di proteine mitocondriali. L'altro dominio della membrana mitocondriale interna si estende verso l'interno dell'organello con una serie di invaginazioni membranose, chiamate creste. Il ruolo dei mitocondri come trasduttori di energia e' strettamente correlato con le membrane, cosi' evidenti nelle micrografie elettroniche di questi organelli. Le creste generano una superficie di membrana molto grande che ospita i componenti richiesti per la respirazione aerobica e la produzione di ATP.   La membrana delimitante interna e le membrane delle creste sono unite l'una alle altre con sottili connessioni, chiamate giunzioni delle creste. Le membrane mitocondriali dividono questo organello in due compartimenti ripieni di fluido, uno al centro del mitocondrio, detto matrice, e un secondo tra membrana esterna e membrana interna, detto spazio intermembrana. La matrice ha consistenza di gel, dovuta ad un'alta concentrazione di proteine idrosolubili (fino a 500 mg/ml). Le proteine dello spazio intermembrana sono meglio conosciute per il loro ruolo nell'iniziare il processo di morte cellulare programmata. Le membrane esterna ed interna hanno proprieta' molto differenti. La membrana esterna e' formata per circa il 50% da lipidi e contiene una curiosa miscela di en-zimi interessati ad attivita' estremamente diverse, come l'ossidazione dell'adrenalina, la degradazione del triptofano e l'allungamento degli acidi grassi. La membrana in-terna, invece, contiene piu' di 100 diversi tipi di polipeptidi ed ha un alto rapporto proteine/lipidi (piu' di 3 :1 in peso, valore che corrisponde a circa 1 molecola di pro-teine per ogni 15 fosfolipidi).

La membrana interna e' praticamente priva di colesterolo e ricca di un insolito fosfolipide, la cardiolipina (difosfatidil-glicerolo, per la struttura); ambedue queste caratteristiche sono proprie della membrana plasmatica dei batteri, dalla quale la membrana mitocondriale interna si e' probabilmente evoluta. La cardiolipina svolge un ruolo importante nel facilitare l'attivita' delle proteine coinvolte nella sintesi di ATP. Si ritiene che la membrana mitocondriale esterna sia derivata dalla membrana esterna che fa parte della pa-rete cellulare in alcune cellule batteriche, poiche' ambedue le membrane contengono porine, proteine integrali che formano ampi canali (2-3 nm) circondati da una palizzata di foglietti. Le porine della membrana mitocondriale esterna non sono strutture statiche, come si pensava una volta, ma sono in grado di chiudersi reversibilmente a seconda delle condizioni della cellula. Quando i canali delle porine sono ben aperti, la membrana esterna e' permeabile alle molecole come l'ATP, il NAD e il coenzima A, che hanno un ruolo chiave nel metabolismo energetico all'interno del mitocondrio. Al contrario, la membrana mitocondriale interna e' altamente impermeabile e, praticamente, tutte le molecole e tutti gli ioni hanno bisogno di trasportatori specifici per entrare all'interno della matrice. Come sara' discusso nei paragrafi successivi, la composizione e l'organizzazione della membrana mitocondriale interna sono la chiave per la comprensione delle attivita' bioenergetiche di questo organello. L'architettura della membrana interna e l'evidente fluidita' del suo doppio strato lipidico facilitano quella interazione tra i componenti che e' richiesta per la produzione di ATP.

La matrice mitocondriale

Oltre a diversi enzimi, la matrice mitocondriale contiene ribosomi e parecchie molecole di DNA a doppio filamento, solitamente circolari. Quindi, i mitocondri possiedono un loro materiale genetico, anche se limitato, e i macchinari per sintetizzare i loro RNA e proteine. Questo DNA non cromosomico e' importante perche' codifica per un piccolo numero di polipeptidi mitocondriali (13 nell'uomo) che vengono integrati nella membrana mitocondriale interna insieme a polipeptidi codificati da geni che risiedono nel nucleo. Il DNA mitocondriale umano codifica anche per 2 RNA ribosomali e per 22 tRNA che vengono utilizzati per la sintesi proteica all'interno dell'orpello. Il DNA mitocondriale (mtDNA) e' reliquia della storia antica. Sembra essere l'eredita' di un singolo batterio aerobico che si e' stabilito nel citoplasma di una cellula primitiva, diventata poi un antenato di tutte le cellule eucariotiche. La maggior parte dei geni di questo simbionte antenato e' andata persa oppure, nel corso dell'evoluzione, trasferita nel nucleo della cellula ospite, lasciando solo una manciata di geni, che codifica alcune tra le proteine piu' idrofobiche della membrana mitocondriale interna. E' interessante notare che l'RNA polimerasi che sintetizza i vari RNA mitocondriali non e' correlata all'enzima a subunita' multiple trovato nelle cellule procariotiche ed eucariotiche. Piuttosto, l'RNA polimerasi mitocondriale e' enzima costituito da una singola subunita', simile per Iti aspetti a quella di alcuni virus batterici (batteriofagi) nei quali sembra essersi evoluta.

Funzioni del mitocondrio

Il mitocondrio e' in grado di svolgere molteplici funzioni. La piu' 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). La produzione di energia e' la funzione principale del mitocondrio e viene svolta utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato ed il NADH. Essi vengono sfruttati in due processi: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri delle cellule eucariote e nel citoplasma delle cellule procariote. I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta ossidazione) producono acetil-CoA, un gruppo acetile legato al coenzima A; l'acetil-CoA costituisce il principale substrato del ciclo: il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato per generare citrato e al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'acetil-CoA verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensarsi con acetil-CoA. La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, e' quella di una molecola di GTP (immediatamente utilizzata per rigenerare una molecola di ATP), di tre molecole di NADH e una di FADH2.  I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come intermedi ossidoriduttivi. Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni a energia relativamente alta (sottratti ai substrati ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di Krebs) fino alla catena respiratoria mitocondriale, dove vengono riossidati (a NAD+ e FAD) e cedono gli elettroni alla catena stessa, che sara' cosi' in grado di rigenerare molecole di ATP da ADP.

La reazione netta e' la seguente:

acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H2O → CoA + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2


L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto di elettroni), e' idealmente di 36 molecole di ATP. In realta' sono 38 le molecole nette di ATP a essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH prodotte nella glicolisi.

Altre funzioni mitocondriali

- l'apoptosi e la morte neuronale da tossicita' da acido glutammico
- regolazione del ciclo cellulare
- regolazione dello stato redox della cellula
- sintesi dell'eme
- sintesi del colesterolo
- produzione di calore
- La β-ossidazione degli acidi grassi
Il mitocondrio ha anche una funzione di deposito di ioni Ca2+ nella matrice mitocondriale.

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