Mitocondri – parte I: origine, mtDNA e struttura

I mitocondri sono organuli inusuali. Sono le centrali energetiche delle cellule, sono circondati da due membrane e hanno un proprio DNA. Sono anche in grado di replicarsi autonomamente all’interno delle cellule in cui risiedono, senza bisogno della divisione cellulare. Considerate le ricerche più recenti e quello che abbiamo appreso negli ultimi anni, non conoscere questi elementi fondamentali delle nostre cellule è imperdonabile. La loro importanza è fondamentale, persino più del resto della cellula stessa. Sono parte del nostro passato evolutivo ed hanno un ruolo chiave nella nostra salute. A ben vedere, sono parte integrante della vita stessa. In questo post, primo di questa serie sui mitocondri, indaghiamo le basi di questi straordinari organelli. Prima di proseguire però, fissate bene in mente questa analogia: se immaginate il vostro corpo come un palazzo, i mitocondri sarebbero allo stesso tempo l’impianto elettrico e i generatori di energia.

L’origine dei mitocondri

L’ipotesi più accreditata sugli albori dei mitocondri è la teoria Endosimbiotica, che li vede come antichi alfa proteobatteri ossidativi che sono stati inglobati all’interno di un altro archeo batterio metanogeno. Sopravvivendo all’interno del batterio metanogeno senza essere digeriti, questi proteobatteri hanno trovato il modo di collaborare entrando in simbiosi con esso. Il batterio all’esterno ha fornito un ambiente relativamente stabile e sicuro per il batterio all’interno, che in cambio ha iniziato a fornire energia alla cellula attraverso la sua capacità di condurre il processo di respirazione cellulare. Questa novità biologica deve essere stata un enorme miglioramento evolutivo, in grado di fornire un vantaggio senza precedenti alle cellule coinvolte. Con il tempo la relazione è divenuta così stretta che questi batteri arcaici, grazie allo scambio di materiale genetico, sono diventati un’unica entità seppur mantenendo la propria specializzazione, dove il nucleo si è specializzato nell’anatomia e i mitocondri nella produzione di energia. Questo processo ha consentito un tremendo risparmio energetico e aperto alla possibilità di organismi pluricellulari. L’avvento dei mitocondri è datato a più di 2 miliardi di anni fa secondo il massimo esperto in materia, Douglas Wallace, ed il vantaggio è stato così grande che questa simbiosi è rimasta alla base di tutti gli organismi viventi pluricellulari fino ad oggi.

Origine-mitocondri-cloroplasti
I mitocondri e i cloroplasti sono antichi batteri inglobati da altri batteri più grandi

Se tutto questo vi sembra strano, è esattamente lo stesso processo che ha permesso l’evoluzione delle piante. Nel caso di queste ultime, i batteri inglobati furono antichi cianobatteri, in grado di produrre energia tramite la luce solare (i.e. fotosintesi). Oggi queste componenti delle piante vengono chiamati cloroplasti e svolgono nelle piante essenzialmente la stessa funzione dei mitocondri negli animali, ovvero, produrre energia e consentire la vita multicellulare.

Il DNA dei mitocondri

Mitocondri-DNA
Il DNA dei mitocondri è circolare

Nati come batteri, anche i mitocondri posseggono il loro unico DNA. I mitocondri contengono solo una piccola quantità di materiale genetico (mtDNA). 16.569 paia di basi codificano appena 37 geni, 13 dei quali destinati alla creazione di proteine e le restanti 22 a RNA di trasporto. A confronto, il genoma nucleare contiene 3,2 miliardi di paia di basi contenenti circa 23.000 geni. La netta differenza è dovuta all’evoluzione. Nel corso di milioni di anni, il genoma necessario per produrre tutte le proteine specifiche dei mitocondri è stato passato al nucleo. Dopo essere state sintetizzate dai geni nucleari queste proteine vengono trasportate nei mitocondri.  La ridotta quantità di geni ancora presenti nei mitocondri è però di straordinaria importanza poiché codifica le proteine coinvolte nella catena di trasporto degli elettroni e nella sintesi dell’ATP (di più sul tema nella parte II). Anche la struttura del DNA mitocondriale è diversa. Non è prevista la doppia elica ma è circolare. Un’altra differenza rispetto a quello cellulare riguarda il numero di copie del genoma in ogni cellula, che contiene in media tra 103 e 104 copie del genoma mitocondriale.

Ulteriore particolarità è che il DNA dei mitocondri è ereditato unicamente dalla madre. Tant’è che è stato possibile rintracciare un’antenata comune, che viene definita l’Eva mitocondriale. A dispetto del nome Eva non è un individuo ma un gruppo di individui con DNA in comune distinto agli altri, dalla quale discendono tutti gli esseri umani odierni. Si ritiene che questo gruppo sia vissuto fra i 99.000 e i 200.000 anni fa in Africa. Questo aspetto è rilevante perché è il risultato del fatto che non può esserci ricombinazione del DNA come avviene per il nucleo tramite la riproduzione sessuata. Tornando all’analogia con l’impianto elettrico del palazzo, capiamo che combinare due diversi schemi per gli impianti elettrici genera un circuito errato che andrebbe in corto. Per questo madre natura ha saggiamente risolto il problema e non permettere la ricombinazione. Questo non significa che l’mtDNA sia immutato da secoli perché il tasso di replicazione dei mitocondri è molto alto, delle mutazioni si verificano costantemente e sono presenti in tutti noi proprio adesso. Queste mutazioni possono essere patologiche o funzionali all’adattamento a diversi ambienti.

Esistono due principali tipi di mtDNA che sono particolarmente orientati geograficamente, a differenza delle varianti del DNA nucleare che sono condivise omogeneamente nel mondo.  Perché? In Africa, tutte le calorie ingerite deve essere trasformate in ATP (energia potenziale) per scappare dai leoni e non c’è motivo di produrre grosse quantità di calore, perché è abbastanza caldo. I mitocondri devono essere quindi molto efficienti, minimizzando la produzione di calore e massimizzando quella di energia. Questa tipologia di mitocondri viene definita “coupled.” Ma a latitudini maggiori non ci sono leoni e il freddo è un nemico molto più pericoloso. Come sopravvivere allora in queste zone? Per permettere la sopravvivenza i mitocondri sono diventati meno efficienti. Una porzione maggiore delle calorie ingerite viene trasformata in calore (o viceversa per ogni unità di calorie viene prodotta meno energia) al fine rimanere al caldo e sopravvivere. Questa tipologia di mitocondri viene definita “uncoupled.”  In altre parole, cambiare l’efficienza energetica ha consentito a nostri antenati di adattarsi all’ambiente e spiega la distribuzione geografica.

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Mappa delle migrazioni umane sulla base dell’mtDNA

Quanti mitocondri ci sono in ogni cellula?

I mitocondri hanno bisogno di DNA nucleare e DNA mitocondriale per essere replicati. Questi organuli si replicano asessualmente come i batteri, dividendosi in due. Sono estremamente dinamici e osservandoli ci si accorge che si dividono, fondono e cambiano forma costantemente. Poiché il loro ruolo è produrre la necessaria energia per la cellula il loro numero è variabile per ogni tipo di cellula e dipende dalle necessità (siamo nell’ordine delle centinaia). Non a caso il maggior numero di mitocondri si trova nelle cellule cerebrali e nel cuore. Il numero di mitocondri varia costantemente in maniera dinamica in base agli stimoli. Esistono diversi macro e micro stimoli. L’allenamento muscolare ad esempio sollecita la nascita di nuovi mitocondri per soddisfare la domanda di energia.

La struttura dei mitocondri

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La struttura tridimensionale dei mitocondri

I mitocondri sono formati da una membrana esterna ed una membrana interna. Quella esterna circonda quella interna con un piccolo spazio intermembrana tra le due. La membrana esterna possiede dei piccoli pori di una grandezza sufficiente a permettere il passaggio di ioni, molecole e piccole proteine.  Al contrario, la membrana interna ha una permeabilità ristretta ed è caratterizzata dalla presenza delle proteine coinvolte nella catena di trasporto degli elettroni e la produzione di ATP. Essa è selettivamente permeabile e si presenta sotto forma di numerosi avvolgimenti, rientranze e sporgenze dette creste mitocondriali. La funzione di queste strutture è quella di aumentare la superficie di membrana che permette di disporre un numero maggiore di complessi di ATP sintasi e di fornire pertanto maggiore energia. Questa membrana circonda la matrice mitocondriale, dove avviene il ciclo dell’acido citrico (o ciclo di Krebs) e vengono prodotti gli elettroni per la catena di trasporto.

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Riferimenti

https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mitochondria-14232356

http://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/studies/mitochondria/mitorigin.html

https://www.nature.com/scitable/topicpage/mitochondria-14053590

https://www.nature.com/scitable/content/the-origin-of-mitochondria-and-chloroplasts-14747702

https://it.wikipedia.org/wiki/Eva_mitocondriale

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4312664/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3883043/

https://www.mitomap.org//foswiki/pub/MITOMAP/MitomapFigures/WorldMigrations2012.pdf

https://it.wikipedia.org/wiki/Mitocondrio

https://www.youtube.com/watch?v=xDDFV7Sovvs

https://www.youtube.com/watch?time_continue=222&v=zOU6ptM8Y94

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