Mitocondri, amicizie eterne e mamme primitive

I mitocondri: fabbriche di energia nelle nostre cellule

“I mitocondri sono la centrale energetica delle nostre cellule” è una delle frasi che conquista l’immaginazione di ogni ingenuo futuro studente di biologia, accompagnandolo alla macabra scelta di studi che gli farà passare gran parte del suo tempo a dare testate al muro nella speranza di imparare cose come il ciclo di Krebs, per poi scordarselo dopo due secondi ogni volta in un loop funesto fatto di panico e delirio.

Ma ne vale la pena (scherzo, fuggite sciocchi!), soprattutto per studiare cose interessantissime come i mitocondri.

I mitocondri sono appunto i principali organelli responsabili della produzione di energia all’interno delle nostre cellule. Questi organelli sono fondamentali per la respirazione cellulare, che è quel processo che porta sostanze come zuccheri, amminoacidi e acidi grassi ad essere utilizzati per produrre un disequilibrio di cariche protoniche tra le membrane che formano il mitocondrio. Questo genera un gradiente di protoni che innesca reazioni chimiche molto complesse come la fosforilazione ossidativa o il maledettissimo ciclo di Krebs, responsabili entrambi delle notti insonni dei poveri studenti di biologia.

Krebs
Il ciclo di krebs (all’interno del mitocondrio) e altre belle cose che permettono la respirazione cellulare (l’immagine può causare palpitazioni) © Jochmanova and Pacak, 2016.

Il mitocondrio fa tutto questo per un motivo molto importante, ovvero immagazzinare l’energia derivata dalla digestione di queste sostanze all’interno di una particolare molecola: l’ATP. La cellula poi utilizzerà l’ATP quando avrà bisogno di svolgere compiti che richiederanno molta energia [1,2].

Un’amicizia eterna tra cellula e mitocondri

La cosa sorprendente è che il mitocondrio svolge questo compito in tutte le cellule di ogni essere vivente, animale o vegetale! O meglio, in tutti gli organismi costituiti da cellule eucariotiche. Le cellule eucariotiche sono molto più complesse di una cellula procariotica, modello celluare classico dei batteri ad esempio. Infatti, una delle differenze che contraddistinguono questi ultimi dalle cellule eucariotiche è proprio l’assenza dei mitocondri.

Ma guardando un attimo l’immagine allegata in basso, è sorprendente proprio la somiglianza del mitocondrio con un batterio. Infatti, secondo la teoria endosimbiontica, i mitocondri si trovano dentro le nostre cellule grazie ad una simbiosi che si è affermata 1,5 miliardi di anni fa. Questa teoria afferma che una cellula eucariotica primordiale, ancora sprovvista di mitocondri, per qualche ragione abbia inglobato un proteobatterio senza neutralizzarlo. La cellula proteggeva il batterio. Il batterio forniva energia alla cellula. I due hanno pian piano firmato un patto di amicizia eterno, che dura da milioni di anni. Cellula e proteobatterio scambiandosi i favori di casa hanno dato vita alle cellule eucariotiche di cui noi tutti oggi siamo fatti [2,3].

proteomito
A sinistra Proteobatteri, a destra una rappresentazione dei mitocondri, loro cugini. © NIAID

La teoria endosimbiontica è stata anche confermata dal fatto che il mitocondrio è praticamente molto simile ad un batterio, per diversi aspetti. Il mitocondrio ha un DNA tutto suo risospeso al suo interno, come i batteri. La sua struttura membranosa è più simile a quella dei batteri che a quella della cellula eucariote. All’interno della cellula i mitocondri si dividono autonomamente tramite il processo di scissione binaria, che (indovinate un po’?) è lo stesso meccanismo che usano parecchi batteri per moltiplicarsi. Le caratteristiche chimiche degli enzimi e delle molecole utilizzate dal mitocondrio sono molto simili a quelle che si ritrovano nei batteri [4]. Che volete più di così?

Grazie Mamma per i mitocondri

Come appena detto il mitocondrio ha un DNA tutto suo. Il DNA mitocondriale si distingue da quello nucleare in quanto, a differenza di questo che proviene da entrambi i genitori, viene trasmesso solo dalla madre. È stato dimostrato che esiste un vero e proprio meccanismo di selezione dei mitocondri materni al momento della fecondazione della cellula uovo. Questa infatti produce degli enzimi che riconoscono i mitocondri dello spermatozoo, come se fossero “etichettati”, e li distruggono senza pietà durante la penetrazione di questo nell’ovocita.

Ma perché questi favoritismi già prima della nascita?

Lo spermatozoo, per poter fecondare la cellula uovo deve fare una faticaccia. Anche lui ha il suo bel mitocondrio, ma deve competere con altri milioni di spermatozoi in una sfida a “chi ce l’ha più duro”, consumando quindi tanta energia. Si pensa che tale meccanismo di selezione mitocondriale si sia evoluto per eliminare i mitocondri “usurati” dello spermatozoo vittorioso e trasmettere alla prole solo quelli materni, che invece sono nuovi e immacolati. Questo riduce al minimo la possibilità che si creino degli stress, quindi delle mutazioni nel DNA mitocondriale che potrebbero comportare dei danni all’embrione [5].

Andate a ringraziare mamma, non è la prima volta che la sua biologia ci protegge.

Mamma Eva mitocondriale

Dato che i mitocondri sono trasmessi solo per via materna, il DNA mitocondriale di ognuno di noi è praticamente (quasi) uguale a quello di nostra madre. Se analizzassimo il DNA mitocondriale di ogni generazione della specie umana, di diverse etnie e regioni, verrebbe fuori che tutte queste sequenze di DNA si sono evolute dalla sequenza di un’unica mamma primitiva. I ricercatori hanno soprannominato questo antenato comune come Eva mitocondriale: la mamma filogenetica di tutti noi.

Trasmissione dei mitocondri per generazioni dall’Eva mitocondriale all’intera popolazione. © Matt Roden

Inoltre, grazie alla tecnica dell’orologio molecolare, che permette di correlare il passare del tempo con la comparsa di nuove sequenze nel DNA, si ritiene che Mamma Eva sia vissuta fra i 99.000 e i 200.000 anni fa. I dati genetici, combinati a quelli filogenetici, suggeriscono invece che sia vissuta in Africa [6].

La rivolta dei Papà

Recentemente alcuni studi hanno messo in dubbio molto di quanto da sempre si sa sulla trasmissione materna dei mitocondri. Con queste ricerche è stato sconvolto uno dei dogmi della biologia. Studiando alcuni pazienti colpiti da patologie mitocondriali, sono stati individuati 17 casi, appartenenti a tre famiglie diverse e non imparentate tra loro, in cui era stata trasmessa per via paterna una parte significativa del DNA mitocondriale [7].

Seppure la trasmissione sia stata rilevata in casi eccezionali, la scoperta ha sicuramente sconvolto il mondo della biologia. Ma d’altra parte, aver capito che il DNA mitocondriale può effettivamente essere ereditato in parte dal padre significa che sarà necessario approfondire l’argomento. L’obiettivo sarà quello di capire meglio quali sono i meccanismi alla base della trasmissione del mitocondrio. Questo porta la ricerca su strade ancora non percorse ma che potranno condurre a migliorare l’approccio nei confronti delle patologie mitocondriali.

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