Appunti Istologia

Mitocondri

Il mitocondrio è l’organulo più grande presente all’interno della cellula, anche l’unico che può ed è essere visto al microscopio ottico, a differenza di organuli che hanno un limite di risoluzione che necessita di ingrandimenti maggiori ottenibili solo al microscopio elettronico.

Morfologia

Sono degli organuli di forma grossolanamente bastoncellare (vediamo una ricostruzione tridimensionale di quello che è il mitocondrio), ha una forma grossolanamente a fagiolo, hanno una lunghezza variabile, che può arrivare fino a 10 micron, uno spessore anche esso variabile da 0.5 a 1 micron.

Non sono identici nei diversi tipi cellulari, sia in numero che può variare molto da un tipo cellulare all’altro, sia anche per la forma.

A volte sono molto elevati in numero in alcune cellule e questo dipende dal fatto se la cellula è una cellula che un metabolismo attivo per cui necessita di tanto ATP (che è prodotto dal mitocondrio), epatocita, oppure se una cellula è relativamente più assente (es. la cellula del fegato ha circa 2000 mitocondri per cellula).

Dobbiamo tenere conto che il mitocondrio è presente praticamente in quasi tutte le cellule, con ovviamente le 2 eccezioni:

• Globulo rosso che, come sappiamo, è una cellula anucleata e priva di organuli.
• Nell’epidermide: cheratinocita maturo che durante il processo di cito-morfosi cornea si perdono i vari organuli e quindi anche il mitocondrio è assente.

Caratteristiche particolari

I mitocondri hanno delle caratteristiche un po' particolari:

• 1° caratteristica da osservare è che hanno una capacità divisionale che è indipendente dalla cellula (Es. la cellula del fegato è una cellula che viene considerata stabile perché dura molto, non è una cellula labile, invece il mitocondrio ha una frequenza divisionale piuttosto elevata), quindi è chiaro che il meccanismo di duplicazione del mitocondrio è scisso dal ritmo di duplicazione della cellula a cui appartiene.

Quindi questa è una caratteristica che il mitocondrio è un organulo che ha una capacità divisionale a differenza di altri organuli, infatti si forma un solco di segmentazione (si vede bene nella parte di destra della foto) e si formano i due mitocondri.

Prima di questo il DNA mitocondriale si replica in modo che i due mitocondri figli abbiano la stessa quantità di materiale genetico cioè di DNA mitocondriale.

Struttura osservata al microscopio elettronico

L’esame di quello che appare al microscopio elettronico, questa immagine è vediamo il bordo e notiamo che c’è un solco bianco all’interno, esterno non continuo divide le due cito-membrane che vediamo all’interno sono le creste interna esterna. Invece quelle specie di formazioni lineari mitocondriali. Ci sono varie ricostruzioni tridimensionali del mitocondrio (nella parte sinistra) invece nella parte destra abbiamo uno spaccato di un mitocondrio e quindi possiamo vedere che il mitocondrio è dotato di una membrana esterna, una membrana interna che si solleva in pliche dette “creste mitocondriali”, contiene al suo interno:

• Il DNA (cosa particolare perché gli altri organuli non contengono DNA).
• I ribosomi (quando abbiamo fatto i ribosomi abbiamo detto che esistono alcuni ribosomi più piccoli di 55S che si trovano all’interno del mitocondrio).

I mitocondri possono essere indicatori di particolari patologie, per esempio (questi sono mitocondri da biopsie cardiache) se ci sono dei problemi cardiaci, come un’ipertrofia cardiaca, anche lo stesso mitocondrio diventa ipertrofico, fino ad avere problemi di rottura, quindi il mitocondrio essendo la sede di produzione energetica della cellula e quindi del tessuto in caso di alterazioni patologiche del tessuto è uno dei primi organuli a presentare delle alterazioni.

Membrana mitocondriale esterna

Andiamo adesso ad analizzare i vari settori del mitocondrio stesso, avevamo detto che presenta una membrana mitocondriale esterna che lo separa dal citoplasma.

Questa membrana esterna:

• È molto simile alle membrane cellulari che abbiamo descritto la volta scorsa, ha una superficie molto liscia e regolare.
• Ha uno spessore di pochi micron (6/7).
• È attraversata da dei canali ionici (è uno dei modi di comunicare, è una proteina con cui si può effettuare il trasporto attraverso una citomembrana, sono dipendenti dal voltaggio e prendono il nome di porine mitocondriali, che vedete nel diagramma di destra presentate in verde.
• È permeabile solo a molecole molto piccole (ioni e piccoli metaboliti).
• È particolarmente ricca di due enzimi:
  • Fosfolipasi.
  • Acetil coenzima A sintetasi.

DNA mitocondriale e complesso TIM/TOM

Il mitocondrio contiene un DNA mitocondriale e quindi è in grado di operare una sintesi di alcune proteine, però le proteine mitocondriali che vengono codificate dal DNA mitocondriale sono solamente 13 e quindi sono insufficienti per il fabbisogno del mitocondrio stesso, nel nucleo invece vengono codificate circa 1000 proteine che poi avranno destinazione mitocondriale, queste proteine (dette la scorsa lezione) che non contengono una sequenza segnale per il reticolo sono le proteine destinate agli altri costituenti della cellula cioè gli altri organuli.

In questo caso le proteine mitocondriali vengono codificate nel nucleo e vengono poi trasportate all’interno del mitocondrio da un sistema detto complesso TIM/TOM, quando una proteina deve essere traslocata all’interno del mitocondrio praticamente viene riconosciuta attraverso la sua sequenza di iniziamento (tutte le proteine, anche quelle che poi non vanno al reticolo, hanno delle sequenze di indirizzamento per i vari organuli a cui sono destinati) quindi attraverso questa sequenza di indirizzamento avviene il riconoscimento tra la proteina e una porzione della proteina TOM, quindi viene fatta passare attraverso la proteina TOM che funziona proprio come un canale.

Tra il complesso TOM e il complesso TIM esiste un interazione strutturale che fa sì che la proteina una volta attraversato il complesso TOM si diriga verso la membrana mitocondriale interna e una volta attraversato la membrana mitocondriale interna, quando siamo a livello della matrice che è la parte più interna del mitocondrio, dalla proteina vengono rimosse quelle sequenze che erano servite per far sì che la proteina non sintetizzata potesse essere smistata verso il mitocondrio stesso e per questo ci sono delle peptidasi specifiche che tolgono queste porzioni.

Membrana mitocondriale interna

Una volta superata la membrana mitocondriale esterna, ci troviamo al di sotto in un piccolo spazio peri mitocondriale, dove troviamo la membrana mitocondriale interna, questa è più sottile di quella esterna, ed è quella che si solleva in queste pliche, pieghe che vengono dette “creste” le quali servono ad aumentare la sua superficie e si spingono verso l’interno del mitocondrio stesso. Sulla membrana mitocondriale esterna è presente in grande quantità un fosfolipide denominato “cardiolipina” il quale fa sì che la membrana mitocondriale interna sia completamente impermeabile agli ioni. Queste proteine presenti sulla membrana mitocondriale interna hanno 3 funzioni:

• Trasporto degli elettroni della catena respiratoria.
• Sintesi di ATP (proteina ATP/ sintasi).
• Regolazione del trasporto dei metaboliti.

È importante perché sulla membrana interna sono presenti alcuni sistemi enzimatici che cooperano (detto anche quando abbiamo fatto il reticolo endoplasmatico liscio che è la serie di sintesi di fosfolipidi ma è anche un importante per la biosintesi del colesterolo che poi attraverso un interazione con sistemi enzimatici presenti nei mitocondri portano partendo appunto dal colesterolo alla sintesi degli ormoni steroidei).

Catena di trasporto degli elettroni

Sulla membrana ci sono vari complessi che appartengono alla catena di trasporto degli elettroni (il mitocondrio ha una complessità biochimica enorme dal punto di vista istologico “noi dobbiamo ricordare la parte morfologica”), queste catene di trasporto sono:

• Il complesso I o NADH coenzima Q reduttasi.
• Il complesso II che è il succinato coenzima Q reduttasi.
• Il complesso III che è il coenzima Q idrossilato citocromo C reduttasi.
• Il complesso IV che è il citocromo C ossidasi.

Il complesso del ATP sintetasi è costituito da due porzioni, una particella Fo (che è un canale protonico trans-membrana) a cui si accoppia una particella F1 che è in realtà quella dotata di attività sintetasi perché è in realtà il fine ultimo del mitocondrio cioè produrre ATP.

Variazioni morfologiche delle creste

Abbiamo detto che il mitocondrio ha una struttura più o meno uguale, ha una membrana interna, una membrana esterna, le creste mitocondriali, però ci sono molte variazioni morfologiche, per esempio le creste possono differire in lunghezza, forma numero, e questo dipende dalla richiesta energetica della cellula stessa. In una cellula normale (per normale si intende a bassa richiesta energetica) le creste si allungano per circa metà della matrice, in generale se noi vediamo un mitocondrio che presenta delle creste piuttosto corte vuol dire che siamo in presenta di una cellula che ha una richiesta energetica bassa.

Nelle cellule muscolari invece per le creste che sono cellule dove c’è una richiesta energetica alta permettono il movimento, le creste in questo caso attraversano quasi tutta la matrice, si impacchettano l’una con l’altra, sono molto ricche, sono in numero elevato perché corrispondono a una situazione cellulare di un tessuto che ha una richiesta energetica piuttosto alta.

Alcuni esempi:

• In alto a sinistra abbiamo il mitocondrio classico, dove le creste non si spingono ad attraversare tutta la matrice.
• Nella parte a destra vediamo un mitocondrio attivo e le creste sono molto più abbondanti e si spingono per tutta la matrice stessa, attraversano tutta la matrice.

Poi ci