Mitocondri

Cosa sono i mitocondri?

I mitocondri sono degli organelli cellulari, principalmente deputati alla produzione di energia attraverso una serie di reazioni biochimiche che prendono il nome di respirazione cellulare, e che terminano con la formazione di una molecola ad alto contenuto energetico: l’ATP (adenosina trifosfato). All’interno dei mitocondri avvengono anche altri processi, quali:

• regolazione dell’apoptosi (cioè della morte cellulare programmata);
• regolazione dello stato ossidoriduttivo della cellula;
• sintesi del gruppo eme;
• termogenesi (cioè la produzione di calore);
• controllo della concentrazione di ioni di calcio (Ca²⁺) all'interno della cellula.

I mitocondri hanno forma allungata, e si trovano nel citoplasma cellulare, in numero variabile in relazione al tipo di cellula. Alcuni tipi di cellule sono privi di mitocondri, come gli eritrociti (globuli rossi) maturi, altre invece ne sono ricchissime, come le cellule muscolari e i neuroni, poiché muscoli e cervello necessitano di molta energia. Nelle piante e nei lieviti, inoltre, possono combinarsi tra loro e fondere, in base alle esigenze delle cellule.

Qual è la loro struttura?

La struttura dei mitocondri massimizza la loro produttività, infatti contengono:

• due membrane, quella esterna e quella interna. La membrana esterna consente il passaggio solo alle molecole di piccole dimensioni, mentre quella interna che è permeabile solo ad alcuni tipi di molecole grazie alla presenza di specifici trasportatori molecolari. La particolarità della membrana interna è di essere ripiegata più volte su se stessa, formando le creste mitocondriali. Queste ultime aumentano la superficie disponibile per le reazioni biochimiche che avvengono in essa (il principio è lo stesso dei microvilli intestinali, la cui presenza aumenta la superficie di assorbimento delle sostanze ingerite);
• spazio intermembrana, cioè lo spazio fra la membrana interna e quella esterna;
• matrice, cioè lo spazio delimitato dalla membrana interna, che contiene enzimi, ribosomi, granuli contenenti ioni e altre molecole, e molecole di DNA mitocondriale (i mitocondri, infatti, possiedono molecole di DNA proprie, circolari e diverse dal DNA nucleare della cellula, che vengono ereditate esclusivamente dalla madre).

Come avviene la respirazione cellulare nei mitocondri?

La respirazione cellulare è un processo costituito da diverse reazioni biochimiche volte a produrre energia, che utilizzano come substrati le molecole semplici ottenute dalla digestione e dalla successiva degradazione dei nutrienti introdotti con la dieta.

La respirazione cellulare può essere suddivisa in varie fasi:

• glicolisi (che avviene nel citoplasma cellulare);
• decarbossilazione ossidativa del piruvato (che avviene nel mitocondrio);
• ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico (che avviene nel mitocondrio);
• fosforilazione ossidativa (che avviene nel mitocondrio).

Nella glicolisi, una molecola di glucosio viene scissa per produrre due molecole di piruvato e quattro molecole di ATP (oltre ad altre molecole dette coenzimi). Le molecole di piruvato vengono poi trasportate nel mitocondrio, grazie a dei trasportatori della membrana interna, e decarbossilate. La decarbossilazione produce gruppi acetile che vengono utilizzati per formare l’acetil-coenzima A, il quale entra nella fase successiva della respirazione cellulare: il ciclo di Krebs.

Le reazioni del ciclo di Krebs producono molecole di NADH e FADH_2, deputate al trasporto degli elettroni. Inizia così l’ultima fase della respirazione cellulare, cioè la fosforilazione ossidativa. La fosforilazione ossidativa ha luogo grazie ad una serie di complessi enzimatici presenti nella membrana interna del mitocondrio.

Gli elettroni trasportati da NADH e FADH₂ vengono utilizzati dai complessi enzimatici per generare una differenza nella concentrazione di protoni fra la matrice e lo spazio intermembrana del mitocondrio, detta gradiente protonico. La generazione del gradiente protonico rende possibile la formazione di acqua a partire dall’ossigeno, e anche la produzione dell’ATP. Infatti il gradiente di protoni è ciò che consente al complesso enzimatico noto come ATP sintasi di funzionare, e formare le molecole di ATP. A partire da una sola molecola di glucosio, al termine della respirazione cellulare, considerate alcune inevitabili perdite energetiche durante il processo, vengono prodotte 30-32 molecole di ATP.