Citologia e istologia - lezione

Il mitocondrio sintetizza anche alcune sue proteine ma non tutte, quindi non è indipendente.

Piuttosto è il nucleo della cellula a decidere quanti mitocondri devono essere presenti.

All’interno dei mitocondri avviene la fosforilazione ossidativa (sintesi di ATP). Potrebbe la cellula

produrre ATP senza l’ausilio dei mitocondri? La risposta è sì! Esiste infatti un meccanismo più

arcaico nella cellula, la cosiddetta “glicolisi”, che avviene nel citoplasma e produce ATP con la

demolizione del glucosio; tuttavia l’efficienza energetica della glicolisi è estremamente bassa.

I mitocondri sono presenti in tutte le cellule dell’organismo ad eccezione dei globuli rossi, i quali

utilizzano solo la glicolisi (il perché lo vedremo tra qualche settimana..).

Nei mitocondri la membrana interna presenta delle proteine intrinseche che possono essere anche

evidenziate al microscopio elettronico. Queste proteine presentano l’enzima che sintetizza l’ATP

(ATP-Sintetasi), un complesso molto grande.

Al microscopio ottico i mitocondri possono essere visti colorandoli con sostanze specifiche come

questa rossa in figura.

Qui vediamo le cellule in cui sono stati colorati filamenti di actina in verde e i mitocondri in rosso.

Queste sono cellule di coltura, in cui il fondo è in una piastra di vetro.

I mitocondri hanno questa caratteristica: hanno nella

camera esterna una differenza di potenziale

incredibilmente alta, l’equivalente di 0,2 Volt, un valore

enorme per una cellula.

Questa differenza di potenziale serve al mitocondrio

per sintetizzare l’ATP ma può anche essere sfruttata

da noi per richiamare una sostanza colorante che

viene attratta dalla differenza di potenziale.

Quando il mitocondrio subisce una sorta di trauma e va

(per così dire) in corto circuito, questa differenza di

potenziale crolla. Nella figura (in basso) vediamo

l’effetto di questo crollo, che fa scappare il colorante.

Quindi vediamo questo insieme di micondri di cui

sopravvive soltanto una piccola porzione.

Si tratta quindi di una colorazione che riflette la funzione del mitocondrio.

Torniamo alla fosforilazione ossidativa.

Il famoso ciclo dell’acido citrico (di Krebs) avviene nella camera interna dove si trovano degli

enzimi non associati alla membrana, ossia gli enzimi del ciclo dell’acido citrico insieme con dei

coenzimi.

Questo ciclo riduce la molecola NADH la quale è già di suo una molecola energetica che però non

viene utilizzata dalla cellula, che piuttosto preferisce utilizzare come molecola energetica l’ATP

(quasi tutte le funzioni cellulari usano l’ATP).

Pertanto l’energia contenuta nell’NADH deve essere trasformata in ATP; quindi l’NADH prodotto

nella camera interna (dove esiste la cosiddetta “matrice mitocondriale”) va a contattare delle

proteine intrinseche della membrana mitocondriale interna. L’NADH cede il suo protone

ossidandosi a NAD+ mentre il protone viene spinto attraverso delle pompe nella camera esterna:

viene quindi a crearsi una concentrazione di protoni elevatissima . L’elettrone ovviamente si scinde

e si ha anche qui un trasporto dell’elettrone separato dai protoni. In questa situazione viene a

crearsi una differenza di potenziale perché da una parte abbiamo cariche positive che non sono

presenti nella matrice. Quei 220 millivolt sono la differenza di potenziale tra questa zona e la zona

interna (vedi immagine).

Questi complessi proteici sono dei citocromi. In questa condizione la membrana mitocondriale

interna non è permeabile ai protoni. Può sembrare strano se si pensa che è permeabile all’acqua,

all’ossigeno e a diverse sostanze più grosse dei protoni. Tuttavia i protoni non passano perché

hanno questa carica positiva che li tiene prigionieri all’interno, avendo come unico (diciamo) sfogo

questo grosso complesso proteico (ATP-Sintetasi), che consente ai protoni di rientrare attraverso

un canale centrale mettendo in atto nel contempo un’attività anche meccanica che è in grado di

aggiungere una molecola di acido fosforico all’ADP. Quindi i protoni, passando attraverso questo

canale, fanno ruotare una sorta di turbina molecolare con conseguente sintesi dell’ATP.

Il protone che fine fa?

Una volta rientrato nella matrice si lega all’ossigeno molecolare e con il ritorno dell’elettrone

catturato dalla membrana interna (quindi H+; elettroni; ossigeno) forma H2O.

In definitiva l’ossigeno respirato serve pertanto ad ossidare questo substrato di protoni e di

elettroni e a formare acqua. Per questo il processo è chiamato fosforilazione ossidativa: se non c’è

ossigeno, tutto si ferma.

L’ATP, una volta sintetizzato, passa lungo questo antiporto attraverso la membrana interna ed

esterna. Quindi abbiamo l’ATP carico che esce verso il citoplasma a disposizione della cellula

mentre l’ADP scarico entra nel mitocondrio per essere (diciamo) rifornito.

Tutte le creste della membrana mitocondriale interna servono ad espandere la superficie abile a

compiere questa funzione.

L’immagine del mitocondrio tradizionale in effetti rappresenta un mitocondrio già morto. Quando si

riesce a bloccare la struttura mitocondriale durante la sua funzione ossidativa si vede che le creste

sono estremamente dilatate (forma reale o “ortodossa”), una condizione che cessa quando il

tessuto viene fissato (con cessazione dell’attività mitocondriale e acquisizione di questa

configurazione).

I mitocondri sono anche impegnati nella ossidazione (demolizione) degli acidi grassi, che utilizzano

anche come fonte di substrato per il ciclo dell’acido citrico. Il substrato iniziale del ciclo dell’acido

citrico infatti non è solo il glucosio, ma anche gli acidi grassi demoliti catena della β-ossidazione

mitocondriale.

Un’altra funzione importante dei mitocondri è quella di possedere delle sostanze che determinano

il fenomeno dell’apoptosi.

Il mitocondrio decide molto spesso della sorte della cellula perché quando libera all’esterno il

citocromo c questa particella normalmente impegnata nella fosforilazione ossidativa scatena nel

citoplasma una serie di eventi che attivano degli enzimi denominati caspasi e delle nucleasi che

degradano in modo indiscriminato le proteine del citoplasma e gli acidi nucleici.

Quindi in condizioni di stress cellulari il mitocondrio attua il programma dell’apoptosi; questo

avviene non soltanto attraverso la fuoriuscita del citocromo c ma anche attraverso alcune proteine

della famiglia BCL che controllano appunto il processo della fuoriuscita del citocromo c.

L’ultimo aspetto relativo ai mitocondri è che partecipano anche all’elaborazione degli ormoni

steroidei insieme al reticolo endoplasmatico liscio. Anche a questo riguardo vediamo che le

ghiandole steroidee possiedono cellule ricchissime di reticolo liscio come di mitocondri.

Ritornando all’immagine descritta prima, abbiamo visto che a livello dei mitocondri l’ossigeno più il

protone più l’elettrone restituiscono acqua, ma questa reazione chimica in realtà non avviene in

modo così “pulito” ed esatto, ma molto spesso viene a formarsi non solo H2O ma anche H2O2

(perossido di idrogeno), che è una sostanza estremamente aggressiva.

Infatti il perossido di idrogeno è instabile e libera ossigeno nascente con una conseguente

ossidazione indiscriminata di tutte le sostanze che si trovano vicino al perossido. Quindi il

perossido di idrogeno è una sostanza terrificante! Viene in parte attenuato da alcuni enzimi come

la catalasi, che permette di restituire acqua e di liberare l’ossigeno in modo non dannoso.

Tuttavia la formazione di H2O2 e di un altro ione importantissimo che si chiama “ione superossido”

fanno invecchiare rapidamente i mitocondri. Questo è il motivo per cui i mitocondri hanno vita

relativamente breve e sono oggetto di intenso riciclaggio.

Perossisoma

Si tratta di un organello a tutti gli effetti indipendente dagli altri e capace di riprodursi.

Anch’esso è coinvolto nell’ ossidazione degli acidi grassi e altri processi ossidativi di diversi

substrati.

Il termine “perossisoma” sta appunto ad indicare che esso attraverso la sua attività ossidativa

produce dei perossidi che però sono controllati attraverso la presenza di quegli enzimi catalasi e

superossido dismutasi che sono presenti anche nei mitocondri.

L’attività ossidativa dei perossisomi è più importante per esempio nel fegato e nel rene, dove c’è

un intenso metabolismo ( in particolare nel fegato perché ossidano l’alcol che ingeriamo con i

liquori, permettendone la metabolizzazione attraverso la conversione in acetaldeide).

Troviamo quindi quest’organello con grande frequenza nel rene e nel fegato, che sono gli organi

più importanti dal punto di vista metabolico.

Citoscheletro

Il citoscheletro è rappresentato da tre strutture principali.

Da sx vediamo i filamenti di actina (o microfilamenti), che sono molto sottili (il disegno rappresenta

più o meno i rapporti di spessore); hanno circa 6-8 micron di diametro.

E’ un filamento doppio, ossia una doppia elica.

Al centro vediamo i filamenti intermedi (più grossi) di 8-10 nanometri e a dx i più grossi, i

microtubuli, con un diametro di 25 nanometri e cavi all’interno.

Sono tre componenti di cui bisogna sapere alcune cose.

I) Filamenti di actina.

Sono le strutture più importanti per i processi di contrazione cellulare, quindi di movimenti rapidi e

intensi. Quindi tutto il nostro muscolo, sia striato che liscio, si contrae grazie a queste strutture.

L’actina che compone questi filamenti è un di-monomero e si chiama G-actina quando è singolo

(globulare) ed F-actina quando forma il filamento. Il filamento non è stabile, ma si può allungare

perché l’actina si polimerizza ad una estremità e può depolimerizzarsi, quindi accorciarsi, all’altra

estremità. Queste estremità si chiamano + e -.

Nel muscolo l’actina è stabilizzata, per cui troviamo dei filamenti permanenti. Tuttavia nelle cellule

dei globuli bianchi , che si muovono attraverso movimenti ameboidi, o in altri tipi di cellule questo

meccanismo di crescita da un’estremità e dall’altra è attuato per favorire gli spostamenti della

cellula e anche per garantire un certo flusso del citoplasma all’interno della cellula stessa.

Abbiamo visto alcune immagini dei filamenti di actina dalle quali si capisce che i filamenti di actina

in queste cellule sono abbastanza rettilinei e vanno tutti a finire sulla membrana cellulare.

Sono come dei cavi che hanno un aggancio sulla membrana cellulare.

FI