I mitocondri, universalmente conosciuti come le”centrali energetiche della cellula”, hanno una storia davvero affascinante, da semplici batteri a loro agio con l’ossigeno a organelli insostituibili di cellule grandi e complesse. La loro attività dipende da complessi di proteine la cui struttura e funzione è strabiliante nella loro complessità, raffinatezza ed efficienza; è proprio questa attività che li rende anche protagonisti dei processi di invecchiamento e senescenza, processi che possiamo rallentare con due delle più formidabili armi a nostra disposizione: dieta e attività fisica.

I mitocondri sono degli intrusi nelle nostre cellule, il frutto di uno degli eventi cruciali nell’evoluzione della vita sulla terra. Questi organelli sono infatti i lontani discendenti di antichi batteri in grado di utilizzare ossigeno per produrre energia, un trucco che nel passato ancestrale, probabilmente 2 miliardi di anni fa, era di fondamentale importanza, visto la crescita continua della concentrazione del reattivo elemento nell’atmosfera. Per noi l’ossigeno è sinonimo di vita, ma in quei giorni lontanissimi si trattava di una sostanza molto pericolosa, affamata di elettroni, che la maggior parte degli esseri viventi non solo non era in grado di utilizzare, ma sfuggiva come la peste.

È probabilmente in quel remoto passato che una cellula un poco più grande, incapace di sfruttare l’ossigeno, ha inglobato uno di questi batteri che con l’ossigeno invece ci sapeva fare: contro ogni possibile previsione, le due cellule, così diverse, hanno imparato a convivere, attraverso un lungo processo di adattamento durato più di un miliardo di anni, stabilendo una relazione simbiotica che ha reso possibile la nascita di cellule più grandi e complesse, le cellule eucariote, le stesse che formano il nostro corpo. Un evento straordinario perché la capacità di utilizzare l’ossigeno, caratteristica di questi batteri e conservata e raffinata negli organelli che da loro discendono, ha reso disponibile una grande quantità di energia per la cellula ospite, che ha potuto così aumentare di dimensione, specializzarsi e dare a origine a organismi pluricellulari.

I mitocondri conservano tracce del loro passato di procarioti, hanno infatti mantenuto un DNA indipendente, un anello di poco più di 16.000 nucleotidi che codifica per 13 proteine che sono costituenti essenziali delle complesse strutture grazie alle quali viene prodotta energia: il resto dei geni che codifica per le proteine mitocondriali è stato invece trasferito nel DNA nucleare della cellula “ospite”. I mitocondri sono trasmessi esclusivamente per via materna e ogni cellula ne contiene da qualche centinaio a qualche migliaio. Il numero effettivo dipende dalle esigenze energetiche della cellula: nel cuore, nei muscoli scheletrici e nel cervello, tessuti che hanno necessità di grandi quantità di energia, le cellule sono ricchissime di mitocondri, mentre i globuli rossi, che sono essenzialmente delle strutture di trasporto, ne sono privi.

La cellula con il più abbondante contenuto di mitocondri è l’ovulo, che li trasmette a tutte le cellule che da esso si originano dopo la fecondazione, mentre i mitocondri portati dallo spermatozoo vengono distrutti. I mitocondri si trasmettono quindi per via materna, uno dei motivi per cui le variazioni che si osservano nel DNA mitocondriale sono utilizzate per studi di genetica delle popolazione e biologia evoluzionistica. [1, 2]

Come sono fatti e come funzionano i mitocondri

Un singolo mitocondrio ha la forma di un bastoncello, con lunghezza molto variabile, che può arrivare fino a a 4 milionesimi di metro. L’organello è delimitato da due membrane, una esterna, che lo racchiude completamente, formata da fosfolipidi e da proteine che hanno funzione di trasporto e permettono il passaggio di materiale tra il citoplasma della cellula e il mitocondrio, e una interna, anche questa formata da fosfolipidi, con elevata presenza di cardiolipina, una molecola caratteristica di questa struttura, dove svolge un ruolo fondamentale in un gran numero di processi. La membrana interna è ricchissima di proteine, alcune con funzione di trasporto, altre impegnate nella produzione di energia. La membrana interna si ripiega a formare un gran numero di creste che ne espandono notevolmente la superficie e la capacità di produrre ATP. Le due membrane delimitano uno spazio intermembrana che ha un ruolo importante nei processi di sintesi dell’ATP.

Lo spazio interno del mitocondrio è chiamato matrice e contiene un gran numero di enzimi, impegnati in diverse vie metaboliche: ciclo dell’urea, produzione del gruppo eme, ciclo di Krebs e ossidazione degli acidi grassi.

La vulgata scientifica vuole che i mitocondri siano “la centrale energetica della cellula”, una definizione un poco riduttiva ma sostanzialmente corretta. È in questi organelli infatti che viene prodotto ATP (Adenosina Trifosfato) la molecola che è utilizzata per fornire energia a tutti i processi che avvengono nella cellula.

L’ATP è prodotto tramite un processo, la fosforilazione ossidativa, che permette di raccogliere l’energia liberata dall’ossidazione di glucosio, acidi grassi e aminoacidi e accumularla in questo prezioso composto che funziona poi — per citare un altro immortale luogo comune — da valuta energetica per tutti i processi cellulari sfavorevoli dal punto di vista termodinamico.

La fosforilazione ossidativa coinvolge una novantina di proteine organizzate in cinque strutture complesse, che insieme costituiscono la catena respiratoria, localizzate in un gran numero di copie sulla membrana interna del mitocondrio. In queste strutture gli elettroni provenienti dall’ossidazione di carboidrati e grassi, raccolti da molecole specializzate, NAD+ e FAD, sono sfruttati per accumulare protoni (H+) nello spazio tra le membrane del mitocondrio, e sono infine trasferiti all’ossigeno con formazione di acqua. I protoni accumulati nello spazio tra le membrane vengono utilizzati per formare ATP nello stesso modo in cui l’acqua di una diga è utilizzata per produrre energia elettrica: la cascata di protoni che dallo spazio intermembrana rifluiscono verso la matrice fornisce infatti energia ad una proteina—l’ATPasi del complesso V—che è una vera e propria turbina in grado di utilizzare il gradiente elettrochimico, la differente concentrazione di protoni tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale,  per produrre quasi tutto l’ATP necessario alla cellula.

Il meccanismo è prodigioso nella sua raffinatezza, nella sua complessità e nella sua efficienza, tuttavia non è esente da problemi. Il passaggio di elettroni attraverso queste strutture è in effetti soggetto a perdite più o meno rilevanti, e l’entità di queste perdite è funzione di molti fattori diversi. Uno dei fattori più importanti è lo stato energetico della cellula:  quando la cellula deve produrre molta energia, come avviene quando si fa attività fisica intensa, l’efficienza del sistema è massima e le perdite sono poche, i protoni infatti sono utilizzati molto rapidamente per produrre tutto l’ATP necessario; quando invece la richiesta di energia è bassa, pensate a un soggetto perennemente sedentario, l’efficienza del sistema cala drasticamente e le perdite salgono in maniera rilevante.

Qui abbiamo un problema: la perdita di elettroni da parte dei mitocondri non comporta soltanto una riduzione, più o meno importante della quantità di energia prodotta, ma ha conseguenze ben più importanti quando si parla di invecchiamento, porta infatti alla formazione di sostanze il cui solo nome incute timore e tremore: i radicali liberi!

I radicali liberi sono estremamente reattivi, in grado di strappare elettroni alle prime molecole che capitino loro a tiro, innescando reazioni a catena in cui il malcapitato composto che si è visto portar via un elettrone si trasforma a sua volta in un radicale libero che va a strappare elettroni ad altre molecole—lipidi, proteine, perfino DNA—in una successione che si propaga rapidamente e che può essere arrestata soltanto quando due radicali reagiscono tra loro formando composti stabili o per azione di antiossidanti, composti in grado di cedere elettroni e spegnere l’insaziabile sete  dei radicali liberi, interrompendo così l’infausta catena che quando non è controllata può causare estesi danni alle delicate strutture della cellula.

Nei mitocondri, gli elettroni che sfuggono all’ordinato passaggio attraverso i complessi proteici della catena respiratoria reagiscono con l’ossigeno per formare diverse specie reattive (ROS Reactive Oxygen species o Specie reattive dell’ossigeno). I radicali liberi che si formano dall’ossigeno sono in grado di danneggiare tutte le molecole biologiche e nel mitocondrio possono produrre danni estesi al DNA mitocondriale, ai lipidi della membrana e alle numerose proteine presenti, riducendo la funzionalità dell’organello.

Il mitocondrio non è privo di difese e possiede una batteria di enzimi in grado di neutralizzare i ROS man mano che questi si formano.  I due enzimi più attivi sono la superossido dismutasi (SOD) e la catalasi, la cui azione sequenziale permette di convertire i pericolosi ROS in innocue molecole di acqua e ossigeno.

I mitocondri sono in effetti una centrale energetica ma, come in tutte le centrali l’energia prodotta ha un costo che non è soltanto quello delle materie prime che vengono ossidate — le molecole che provengono dal cibo che consumiamo — ma è anche un costo “ambientale” legato alle rilevante produzione di radicali liberi, ancora più pericolosi vista la prossimità al DNA mitocondriale; quando trovate una molecola di fondamentale importanza nel cuore di un reattore che perde sostanze tossiche non vi aspettate che qualcosa possa andare storto? [3,