PRODUZIONERODUZIONE DIDI ENERGIAENERGIA NEINEI MITOCONDRIMITOCONDRI
Per produrre energia una cellula può avvalersi di vari tipi di substrato: il più comune è rappresentato dal glucosio. Nello ialoplasma avviene un processo metabolico che fa parte del metabolismo intermedio: la
glicolisi. La glicolisi porta alla frammentazione del glucosio, che ha sei atomi di carbonio, in due
frammenti a tre atomi di carbonio con liberazione di due molecole di ATP.
I due frammenti a tre atomi di carbonio contengono ancora molta energia nei legami fra i loro atomi, non sono quindi completamente sfruttati a fini energetici. Per ottenere la massima resa energetica debbono essere sottoposti all’azione degli enzimi del ciclo di Krebbs: i frammenti a tre atomi di carbonio, rappresentati dall’acido piruvico, si combinano con una molecola trasportatrice detta coenzima A formando un complesso definito acetil14 - coenzima A (acetilCoA). L’acetilCoA attraversa le membrane
mitocondriali ed arriva nella matrice dove va incontro al ciclo di Krebbs.
62 Sezione di citologia – 12. Mitocondri La stessa molecola acetilCoA è una specie di passaggio obbligato per tutte le specie chimiche che la cellula può utilizzare per produrre energia: è infatti la conclusione della scomposizione degli acidi grassi e di certi amminoacidi. Tutti i substrati ossidabili per produrre energia hanno questo intermedio comune che il mitocondrio sfrutta per produrre energia.
Dal punto di vista strettamente chimico l’energia si libera dai substrati a seguito della loro ossidazione che li porta ad uno stato termodinamicamente più stabile, che richiede meno energia per essere mantenuto: tutta l’energia in più che era presente nelle forme complesse viene perduta via via che queste si ossidano in forme più semplici. Il modo più semplice per ossidare un alimento e produrre energia è quello di bruciarlo. La cellula sfrutta lo stesso principio, cioè utilizza l’ossidazione per liberare tutta l’energia possibile dagli alimenti ma lo fa in maniera molto graduale affinché tale energia non venga dissipata sotto forma di calore15 non più sfruttabile dal punto di vista energetico.
Le varie tappe che caratterizzano il metabolismo intermedio e quello terminale hanno proprio questo scopo: consentire la graduale liberazione di energia procedendo da forme meno ossidate a forme più ossidate. L’accumulo di questa energia deve avvenire in una forma sfruttabile rappresentata dalla sintesi di ATP.
L’acetilCoA entrato nella matrice viene captato dagli enzimi del ciclo di Krebbs i quali provvedono alla scomposizione di questo nei suoi costituenti fondamentali: il carbonio viene staccato e combinato con l’ossigeno per dare anidride carbonica, il primo prodotto di scarto del metabolismo, il prodotto di ossidazione completa dell’acetile che viene fuori dal ciclo di Krebbs. L’ossigeno con cui viene coniugato il carbonio viene dalla stessa molecola della acetilCoA il quale, essendo un frammento del glucosio, ha attaccato ad ogni carbonio un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Il ciclo di Krebbs libera allora i due idrogeni e li connette a dei trasportatori di idrogeni che sono due particolari molecole simili a nucleotidi che fanno la spola tra il ciclo di Krebbs e la membrana mitocondriale interna: il NAD (nicotinamideadenindinucleotide) e il FAD (flaminadenindinucleotide). Queste molecole hanno la capacità di ridursi legandosi agli atomi di idrogeno che si liberano dal ciclo di Krebbs: questi vengono convogliati dalle molecole di NAD e di FAD a ridosso della membrana interna dove trovano i citocromi i quali, abbiamo detto, sono capaci di catalizzare reazioni di ossidoriduzione: nella fattispecie ossidano il NAD e il FAD strappandogli i due idrogeni e rendendoli nuovamente capaci di legarsi a nuovi elettroni. I due idrogeni vengono scomposti a livello dei citocromi nei loro costituenti fondamentali: un protone ed un neutrone. I citocromi sono organizzati in catene a potenziale di ossidoriduzione crescente: ogni membro della catena strappa l’elettrone al membro immediatamente precedente. I due elettroni derivati dai due atomi di idrogeno vengono quindi passati da un citocromo a quello successivo che glieli strappa perché ha potenziale di ossidoriduzione maggiore. Questo viene a sua volta privato degli elettroni dal citocromo successivo e così via fino all’ultimo citocromo: l’ultimo anello della catena viene definito
citocromo ossidasi e cede i propri elettroni all’elemento più elettronegativo di tutti: l’ossigeno.
L’ossigeno che troviamo a livello dei citocromi è l’ossigeno che proviene dalla respirazione: essendo una piccola molecola l’ossigeno riesce ad attraversare facilmente le membrane e riesce giungere a livello dei
15 Quel calore che viene comunque prodotto serve a mantenere stabile la temperatura del nostro organismo.
Sezione di citologia – 12. Mitocondri 63 citocromi dove trova due elettroni che completano il suo ottetto. Una molecola di ossigeno viene quindi
trasformata in due anioni superossido.
La catena dei citocromi a potenziale di ossidoriduzione crescente fa sì che gli elettroni, per poter stare su ogni membro di questa catena, ridimensionino continuamente la loro energia diminuendola perché maggiore è l’attitudine termodinamica a stare a ridosso di una sostanza elettronegativa.
L’energia potenziale che questi elettroni avevano viene ceduta man mano che gli questi rimbalzano da un elemento della catena dei citocromi a quello successivo fino ad arrivare all’ossigeno: questa energia viene impiegata dagli stessi citocromi che prendono i protoni e li pompano attivamente nella camera esterna: ecco perché la concentrazione di protoni nella camera esterna è molto elevata ed è direttamente proporzionale alla quantità di lavoro che il mitocondrio sta svolgendo16.
In conseguenza di ciò si viene a creare un gradiente elettrochimico molto potente fra camera interna e camera esterna che riguarda proprio i protoni: questi sono infatti molto più concentrati nella camera esterna e tenderanno, in virtù di un gradiente chimico, a rientrare nella camera interna; tenderanno a ritornarvi anche a causa di un gradiente elettrico: sul versante interno della membrana interna c’è infatti l’anione superossido caricato negativamente.
La membrana mitocondriale interna è però impermeabile ai protoni tranne che in un punto che coincide con il fattore F0. Al termine della particella F0 c’è la particella F1 che utilizza l’energia ceduta dai protoni che rientrano per sintetizzare molecole di ATP catalizzando la reazione:
ADP + P + energia ATP
Viene quindi utilizzato un gradiente per produrre energia: l’energia potenziale dei protoni sottoposti ad un gradiente elettrochimico viene ceduta e si trasforma in energia cinetica che la particella F1 utilizza per la sintesi chimica che porta alla genesi dell’ATP.
L’aggiunta del fosfato all’ADP è un processo di fosforilazione: poiché l’energia per questa fosforilazione deriva dall’ossidazione catalizzata dalla catena dei citocromi si parla di fosforilazione ossidativa che è il processo metabolico principale che avviene a carico dei mitocondri. Essi sono quindi le centrali energetiche della cellula, le sedi dove avviene la sintesi dell’ATP partendo da substrati scissi a fini energetici.
Abbiamo visto come i substrati vengano completamente ossidati e come i prodotti di scarto dei processi descritti siano acqua ed anidride carbonica esattamente come avviene in una normale combustione17. Per ogni molecola di glucosio la fosforilazione ossidativa produce 34 molecole di ATP che sia aggiungono alle 2 molecole di ATP che derivano dalla glicolisi dello ialoplasma: alla fine si ha quindi una 16 In una cellula con attivo metabolismo è evidente l’ingrandimento della camera mitocondriale esterna dovuto al notevole accumulo di protoni che si comportano, dal punto di vista osmotico, come particelle che richiamano acqua.
17 I protoni che rientrano nella camera mitocondriale interna trovano gli anioni superossido con i quali si legano per formare acqua.
64 Sezione di citologia – 12. Mitocondri resa energetica di 36 molecole di ATP che equivale, in termini strettamente energetici, ad una resa termodinamica del 40%.
Questo meccanismo così efficiente ha evidentemente costituito un vantaggio evolutivo che ha premiato la cellula eucariote facendole di fatto assumere il predomino, almeno per quel che riguarda la sua complessità, su tutti gli altri organismi: l’indubbio vantaggio energetico della cellula eucariote le ha consentito infatti di sviluppare strutture estremamente complesse e raffinate.