Citologia - mitocondri e produzione di energia

Mitocondri

Struttura dei mitocondri

La funzione e la struttura dei mitocondri è stata compresa solo con l’invenzione della microscopia elettronica. All’inizio se ne conosceva solo l’esistenza perché erano osservabili al microscopio ottico con particolari colorazioni, ma solo in alcune cellule (es. muscolari). Con la TEM si vede che il mitocondrio è costituito da un insieme complesso di strutture. I mitocondri si presentano con una membrana esterna, una interna e una serie di creste. Vi è una parte centrale chiamata matrice mitocondriale che può apparire più o meno elettrondensa in dipendenza dai processi che avvengono all’interno.

Dall’osservazione col TEM è derivato un modello classico visualizzato come organello bastoncellare con membrana esterna, spazio intermembrana e membrana interna con creste; all’interno vi è la matrice con vari componenti. Questo modello è stato corretto negli anni '90 perché le creste non sono delle ondulazioni semplici ma delle strutture che formano un reticolo nella matrice mitocondriale: lo spazio compreso all’interno di esse è molto sottile, come anche lo spazio tra la membrana esterna e interna. Il passaggio tra spazio all’interno delle creste e lo spazio intramembrana è molto ridotto e stretto; anche se le creste non sono completamente separate non c’è vera continuità tra i due spazi.

All’interno della matrice vi è il genoma del mitocondrio, residuo del batterio simbionte che gli ha dato origine. I geni del mitocondrio, presenti negli eucarioti in quantità variabile, sono una piccola rimanenza del genoma del batterio originale. Esistono eucarioti nei quali i mitocondri hanno perso il genoma e quindi non sono più in grado di produrre ATP consumando ossigeno.

È stata anche rivista la visione del mitocondrio come un organello bastoncellare perché i mitocondri formano un reticolato: possono interagire fra loro fondendosi o subendo fissione. I mitocondri appaiono come reticolo di strutture legate fra loro, se un pezzo della struttura si stacca esso può poi accrescersi o può fondersi con strutture simili. I mitocondri hanno una vita: si originano, crescono e si distaccano dalla rete di mitocondri; poi però un mitocondrio usato (i mitocondri sono soggetti ad usura notevole perché vengono metabolizzati i radicali liberi e utilizzano grandi quantità di ossigeno) viene eliminato attraverso l’autofagia che può coinvolgere anche altri organelli.

La divisione del mitocondrio (fissione) avviene in prossimità del RE (reticolo endoplasmatico) che forma dei tubuli che circondano il mitocondrio nella zona della fissione. Poi si forma una struttura proteica composta da polimeri di una proteina simile alla dinamina (proteina coinvolta nella formazione di vescicole di endocitosi) che strozzano il mitocondrio dividendolo. Non c’è una regola per la quantità di DNA presente in un mitocondrio, spesso si hanno più molecole di DNA perché non c’è un metodo di contenimento del genoma.

Funzione dei mitocondri

I mitocondri sono coinvolti in due tipi di processi:

• Produzione energia sotto forma di ATP in dipendenza di ossigeno (respirazione).
• Produzione di calore.

I batteri sprecano il 75% della loro energia per produrre nuove proteine e mantenere il loro DNA, ciò porta gli organismi a avere meno DNA ed eliminare quello non necessario alla sopravvivenza. Gli eucarioti invece possono avere genomi enormi perché hanno i mitocondri che sono centrali di produzione energetica molto più efficienti della membrana batterica. Le ragioni sono molteplici, una di queste è che il mitocondrio possiede un DNA molto piccolo, ma sufficiente per produrre le proteine che si usurano facilmente.

Il nostro organismo parte da strutture complesse per la produzione di energia quali lipidi, proteine e polisaccaridi contenuti nei cibi. Questi devono essere scomposti rispettivamente in acidi grassi, amminoacidi e monosaccaridi per poi produrre acetilcoenzima A. Questo processo, che può partire da amminoacidi, monosaccaridi o acidi grassi, porta a una limitata produzione di molecole di ATP e di NADH. L’acetil-CoA viene inserito nel ciclo dell’acido citrico (o ciclo di Krebs) da cui si originano molecole utilizzate nelle vie biosintetiche e altre molecole di NADH.

Il NADH è una molecola simile ad un nucleotide formato da una vitamina (nicotinammide) che si combina con uno ione H⁺ riducendosi e diventando NADH. Attraverso il ciclo dell’acido citrico si accumulano queste molecole ridotte, che poi sono usate per produrre un gradiente di H⁺ tra la matrice e lo spazio intermembrana del mitocondrio.

Il ciclo dell’acido citrico e la successiva catena ossidativa (ossidativa perché trasforma O₂ in H₂O) formano un gradiente di ioni H⁺ poi sfruttato da una pompa inversa che invece di consumare ATP lo produce, facendo passare ioni secondo il gradiente (e non contro gradiente). Tutto ciò avviene nel mitocondrio e permette la produzione di elevate quantità di energia utile per la cellula sia per il mantenimento del genoma sia per la produzione delle proteine che per la formazione di strutture all’interno della cellula. Come scarto si producono acqua e CO₂ sia nel ciclo di Krebs sia nella glicolisi.

Questo è il sistema con cui la cellula usa l’energia immagazzinata negli alimenti che assumiamo. L’energia verrebbe dissipata in calore, ma se vi è una macchina complessa che utilizza la caduta per produrre energia che può essere riutilizzata questa si trasforma da calore (energia inutile) a lavoro (energia utile). Questo è il concetto alla base del metabolismo.

Produzione di ATP

Il concetto base del metabolismo è quello di convertire l'energia immagazzinata nel cibo in lavoro utile tramite una serie di trasformazioni molecolari. Il Sole è la fonte energetica per le piante, mentre noi in quanto eterotrofi abbiamo come fonte il cibo. Il nostro metabolismo è fondamentalmente basato sulla generazione di energia tramite l'utilizzo di ossigeno, quindi è una respirazione aerobica.

Per ottenere questa energia quello che si deve fare è, partendo da composti basati sul carbonio, contenuti nel cibo, ottenere tutta una serie di passaggi molecolari che portano alla formazione di un potenziale di membrana presente dentro il mitocondrio basato sullo ione idrogeno a cui ho già accennato ieri. Questo poi viene convertito in una sintesi di ATP.

La trasformazione chimica che porta alla generazione di questo gradiente protonico, parte dalla glicolisi, che avviene nel citosol e porta alla trasformazione di glucosio, cioè del glucosio-6-fosfato. Infatti, il glucosio assunto dalla cellula viene prontamente fosforilato, per impedirne la fuoriuscita dalla cellula nel caso si accumulasse, in quanto non esistono trasportatori per il glu-6-P. Quindi fuori dalla cellula non ci sarà mai la presenza di Glu-6-P.

Esistono poi tutta una serie di passaggi, alcuni dei quali consumano energia, come i processi di fosforilazione, che portano alla fine ad ottenere il piruvato che è una molecola piccola, in quanto si tratta di una progressiva diminuzione degli atomi di carbonio posseduti dal glucosio. Il piruvato viene poi portato all'interno della matrice mitocondriale.

La reazione complessiva della glicolisi è questa. Il NADH vi ricordo che è un sistema grazie al quale la cellula intrappola H₂ che poi viene riconvertito, all'interno della matrice in ioni H⁺. In realtà durante l'intero processo glicolitico, vengono prodotte 4 molecole di ATP ma durante le 2 tappe in cui avviene la fosforilazione, come abbiamo detto prima, vengono consumate 2 ATP, quindi la resa energetica totale della glicolisi corrisponde a 2 ATP, molto poco efficiente.

Per produrre grandi quantità di ATP tramite glicolisi sarebbero necessarie dosi massicce di glucosio, impensabili per una cellula eucariote; quindi molti organismi hanno sviluppato anche metabolismi aerobi, quindi basati non solo sulla glicolisi ma anche su processi mitocondriali.

Rapidamente il piruvato dentro la matrice si attacca alla piruvato deidrogenasi che si attacca a questa molecola e porta alla formazione dell'acetil-CoA, acetil vuol dire che c'è un gruppo acetile associato a una molecola che si chiama CoA-SH. Il gruppo acetile deriva dal piruvato per sottrazione di un altro atomo di carbonio, il che infatti porta alla formazione di CO₂. Il CoA è presente insieme a SH che poi si andrà a legare al gruppo acetato.

Questa in figura è la struttura dell'acetil-CoA, come vedete anch'esso è un nucleotide modificato. Il gruppo acetile in seguito viene inserito dentro il ciclo dell'acido citrico che porta alla formazione (anche in questo, come nella glicolisi non entrerò nel dettaglio perché lo farete in biochimica) di altre molecole di NADH secondo delle reazioni di ossido-riduzione perché si parte da NAD⁺ e H₂, e mi servono gli elettroni, e reazioni che comprendono passaggi di elettroni, sono dette di ossido-riduzione.

Poi sulla membrana interna del mitocondrio il NADH viene nuovamente ossidato ad NAD⁺ cedendo ioni H⁺ che vengono pompati nello spazio tra le membrane mitocondriali; un lungo processo che infine porta a legare ioni H⁺ all'ossigeno formando H₂O. La nicotinammide (NAD) è questo anello aromatico nella forma NAD⁺ è caricato positivamente, mentre quando subisce una reazione di riduzione acquista 2 elettroni, per bilanciare sia la carica positiva del NAD sia quella del protone H⁺, formando quindi il NADH.

Questa è quella complessiva del ciclo dell'acido citrico, il quale inizia con la formazione del citrato da cui il ciclo prende il nome, per poi procedere verso altri passaggi in cui si ha la formazione di CO₂ e NADH, inoltre si ha la formazione di energia sotto forma di GTP, invece che ATP. Altre reazioni di riduzione portano alla fuoriuscita di FADH₂ da FADH che contribuirà anch'esso alla formazione di gradiente protonico all'interno del mitocondrio. Vengono prodotte all'interno del ciclo 3 molecole di NADH, 2 di FADH₂ e 2 molecole di CO₂.

Il ciclo dell'acido citrico avviene nella matrice mitocondriale, quindi quest’ultima si arricchisce di NADH e in parte anche di FADH₂.