Mitocondri, fosforilazione ossidativa e ROS mitocondriali e patologie

Mitocondrio

Durante i primi 2 miliardi di anni di vita sulla terra, l'atmosfera terrestre era caratterizzata dalla presenza di molecole ridotte che non comprendevano l'ossigeno molecolare; fra queste vengono ricordate l'ammoniaca, l'idrogeno molecolare e l’acqua. Naturalmente, in quell'epoca andarono sviluppandosi organismi in grado di espletare attività metaboliche indipendenti dall’ossigeno, cioè organismi anaerobi.

Tuttavia, con il passare del tempo e con lo sviluppo dei cianobatteri, organismi in grado di produrre ossigeno attraverso meccanismi fotosintetici, l'atmosfera terrestre si è sempre più arricchita di ossigeno molecolare; questo ha portato molti organismi e strutture biologiche varie a sviluppare processi metabolici in grado di integrare l’ossigeno. Fra questi sono compresi i mitocondri, che in epoca remota probabilmente rappresentavano delle cellule procariotiche aerobie.

Teoria dell'endosimbiosi

Parlando dei mitocondri e della storia del loro sviluppo, non si può prescindere dal trattare la teoria dell'endosimbiosi secondaria, avanzata dalla biologa statunitense Lynn Margulis, secondo la quale le cellule eucariotiche primordiali hanno integrato nella propria struttura delle cellule procariotiche aerobie per poterne trarre un vantaggio evoluzionistico. Ci sono numerosi elementi a sostegno della teoria dell’endosimbiosi:

• Replicazione autonoma e DNA procariotico: i mitocondri, analogamente a quanto accade per i comuni procarioti, possiedono una sola molecola di DNA circolare e a doppio filamento.
• Ribosomi e indice di sedimentazione: all'interno dei mitocondri sono presenti strutture ribosomiali analoghe a quelle procariotiche, avendo un indice di sedimentazione pari a 70 Svedberg e non 80 come per i ribosomi eucariotici.
• Differente composizione di membrana esterna e interna: la membrana esterna dei mitocondri presenta un rapporto proteine fosfolipidi pari a 1:1, simile a quello degli eucarioti. Peraltro sono qui comprese strutture proteiche di transito simili a quelle eucariotiche, come le porine, la cui struttura beta-barrel con core polare consente l’ingresso di proteine mitocondriali sintetizzate nel citosol, di discrete dimensioni (fino a 5kDa). Inoltre, a suo livello, sono presenti complessi enzimatici transmembrana capaci di ossidare l'adrenalina, degradare il triptofano o allungare determinati acidi grassi. La membrana interna presenta un rapporto differente, pari a 3:1, tant'è vero che essa risulta selettiva rispetto a specifiche molecole e/o ioni ed è importante poiché coinvolta nel processo di fosforilazione ossidativa, dato che al suo livello sono presenti le proteine che compongono la catena di trasporto degli elettroni, oltre che traslocatori di proteine. La membrana mitocondriale interna presenta delle introflessioni che ricordano le strutture mesosomiali procariotiche, e che qui prendono il nome di creste mitocondriali.
• Presenza di abbondante cardiolipina nella membrana mitocondriale interna: è stato rilevato che la membrana interna dei mitocondri è costituita per più del 20% da cardiolipina (o difosfatidilglicerolo), un glicerofosfolipide particolarmente abbondante nelle membrane delle cellule procariotiche. Il difosfatidilglicerolo consente alla membrana interna di essere più permeabile nei confronti dei protoni, per cui essa risulta fondamentale nella generazione di un gradiente elettrochimico necessario alla produzione di forza proton-motrice, utile al complesso dell'ATP sintetasi.

Struttura e funzione dei mitocondri

I mitocondri presentano una membrana mitocondriale esterna, una membrana mitocondriale interna, uno spazio intermembrana ed una matrice mitocondriale, nella quale sono presenti i ribosomi di 70S. Il genoma mitocondriale consiste di una molecola di DNA circolare non associata a strutture proteiche di compattazione, e comprende circa 2 geni codificanti RNA ribosomiali, 22 geni codificanti per RNA transfer e circa 16 sequenze geniche per la produzione di proteine ed enzimi mitocondriali.

Affinché il mitocondrio possa correttamente espletare le proprie funzionalità, ha bisogno di un contenuto proteico decisamente superiore rispetto a quello che esso può sintetizzare, per questo i mitocondri dispongono di trasportatori proteici transmembrana, sia a livello della membrana mitocondriale interna che di quella esterna, che consentano loro di inglobare proteine sintetizzate nel citosol. Nella membrana mitocondriale esterna sono compresi il complesso TOM e quello SAM; la membrana interna invece comprende i complessi TIM22, TIM23 e OXA.

• Importazione di proteine mitocondriali con pre-sequenza: le proteine sintetizzate in ambiente citoplasmatico sono indirizzate da degli sciaperoni molecolari di tipo Hsp70 al complesso TOM. Il TOM riconosce la pre-sequenza ammino-terminale carica positivamente; segue una ipotetica traslocazione transmembrana. In altri casi, la proteina viene incanalata nel mitocondrio e trasportata al complesso TIM23. TIM23 favorisce l’associazione della proteina al complesso motore TIM44 il quale, idrolizzando ATP, indirizza la proteina nella matrice. Successivamente delle MPP (Peptidasi di processamento mitocondriale) tagliano la pre-sequenza. Le proteine della matrice saranno legate a delle Hsp70.
• Importazione di proteine integrali della membrana interna: altre proteine dispongono di sequenze di riconoscimento intersperse. Questa viene trasportata da delle Hsp70 al TOM, che la riconosce e la associa a degli sciaperoni mobili TIM9 e TIM10. Questi la indirizzano a TIM22 che ne favorisce la traslocazione nella membrana interna. L’OXA1 è un complesso analogo al TIM22, ma esso viene coinvolto per il trasporto di proteine sintetizzate in ambiente mitocondriale.

Mitocondrio - centrale energetica e respirazione cellulare

Prima di entrare nel merito del processo di respirazione cellulare, è bene ricordare le caratteristiche generali della molecola di adenosintrifosfato (ATP) ed il ciclo energetico ad essa correlato, dando per scontate le meccaniche tipiche dei processi metabolici in chiave termodinamica.

La struttura dell'adenosintrifosfato prevede l'annessione di un nucleoside, in particolare di una adenosina a tre gruppi fosfato inorganici. L’adenina si associa ad un furanosio, il ribosio, un pentoso ciclico che al secondo atomo di carbonio presenta una funzione idrossilica. La condensazione della funzione ossidrilica al quinto atomo di carbonio con quella dell’ortofosfato alfa consente la formazione di un legame estereo a basso contenuto energetico. L'elevato contenuto energetico dell'adenosintrifosfato è associato ai due legami fosfoanidridici che tengono legati i fosfati alfa-beta e beta-gamma. Una reazione catabolica che coinvolge l’ATP, produce ADP e P_i, mentre una successiva degradazione idrolizza l’ADP in AMP e P_i.

Fasi della respirazione cellulare

• Glicolisi - citoplasma: consiste in un processo metabolico anaerobio suddiviso in due sottofasi, una fase preparatoria a carattere prevalentemente endoergonico (-2 ATP) ed una fase di resa energetica a carattere esoergonico (+4 ATP). Tramite il processo glicolitico vengono prodotte complessivamente 2 molecole di piruvato (2 C₃H₄O₃), 2 di ATP e 2 NADH.
• Decarbossilazione ossidativa - matrice mitocondriale: Durante il processo di decarbossilazione ossidativa, a partire da due molecole di acido piruvico vengono prodotte 2 molecole di Acetil-CoA, 2 di NADH e 2 di CO₂. L’Actil-CoA è un importantissimo intermedio di reazione, un metabolita, che è fondamentale per avviare il ciclo degli acidi tricarbossilici, un processo anfibolico in grado di produrre o degradare specifiche macromolecole organiche.
• Ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs - matrice mitocondriale: il ciclo dei comprende un grandissimo numero di acidi tricarbossilici che...