A cosa servono i mitocondri e perchè sono importanti per la salute umana

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Dei mitocondri la gente comune conosce poco, ma nell'ultimo decennio la loro importanza è stata riconosciuta dalla ricerca genetica per i suoi effetti sull'invecchiamento, sull'apoptosi (cioè morte cellulare programmata), sul metabolismo e su molte malattie. L'immunologa naturopata Erica Peirson scrive: "Dire che i mitocondri sono importanti per la salute umana significa sottovalutare grossolanamente il loro ruolo nella nostra sopravvivenza. Non saremmo letteralmente vivi senza di loro. Sono affascinanti organelli che convertono il nostro cibo in energia in modo che ogni altra funzione del nostro corpo possa svolgersi." L'origine dei mitocondri nelle cellule umane è molto antica e occorre risalire molto indietro nel tempo per individuarne le tracce. Scrive il biologo James Cummins: "C'è attualmente un consenso [scientifico] sul fatto che i mitocondri sono nati dalla relazione endosimbiotica tra gli antenati delle cellule eucariote e gli alfa-proteobatteri. In questo processo endosimbiotico, i proto eucarioti acquisirono la capacità di usare l'ossigeno per la produzione di energia mediante la fosforilazione ossidativa (OXPHOS)." Dunque i mitocondri sono nati per sfruttare, in modo aerobico, l'energia dell'ossigeno presente nell'atmosfera terrestre da un certo periodo in poi. Essi sono la “fabbrica di energia” del nostro corpo. Diverse migliaia di mitocondri sono presenti in quasi tutte le cellule del corpo. I mitocondri producono il 90% dell'energia di cui il nostro corpo ha bisogno per funzionare. Quando non funzionano bene l'organismo ha dei gravi problemi che la ricerca medica sta iniziando ad affrontare. Ad esempio, in Italia, l'immunologa Antonella Viola nel 2020 ha vinto un contributo per la sua ricerca scientifica di frontiera da parte dell’ERC (European Research Council). Ciò le ha permesso di progettare la realizzazione a Padova di un centro mondiale per la ricerca sui mitocondri. In particolare la Viola ha individuato un enzima mitocondriale quale regolatore del processo infiammatorio che provoca malattie infiammatorie e autoimmuni, tra cui gotta, artropatie metaboliche, sclerosi multipla e artrite reumatoide. Ma oltre alla risoluzione di gravi malattie, è stato dimostrato che i mitocondri posseggono il coenzima Q10 che è quindi presente in ogni cellula dell’organismo. Non a caso, il termine scientifico con cui viene indicato è ubiquinone o ubichinone, dal latino ubi, ovunque. Viene indicato anche come vitamina Q ma, dato che viene sintetizzato dall’organismo, non può essere considerato una vera e propria vitamina. Con l'avanzare dell’età la concentrazione di ubichinone diminuisce, determinando un calo dell’efficienza energetica e dell’azione antiossidante. Livelli più bassi di questo enzima si riscontrano anche in presenza di malattie cardiache, diabete, cancro e di alcune patologie neurodegenerative, come l’Alzheimer, il morbo di Parkinson e la SLA. Valori inferiori di Q10 sono stati rilevati anche in atleti che si dedicano a sport di resistenza.

Mitocondri: centrali energetiche di ogni cellula

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MITOCONDRI ED EMBRIOGENESI: L'origine dei mitocondri nelle cellule umane è molto antica e occorre risalire molto indietro nel tempo per individuarne le tracce. Scrive il biologo James M. Cummins: "C'è attualmente un consenso [scientifico] sul fatto che i mitocondri sono nati dalla relazione endosimbiotica tra gli antenati delle cellule eucariote e gli alfa-proteobatteri. In questo processo endosimbiotico, i proto eucarioti acquisirono la capacità di usare l'ossigeno per la produzione di energia mediante la fosforilazione ossidativa (OXPHOS). C'è stato un pronunciato ed esteso incremento dell'ossigeno nell'atmosfera nel periodo tra 375 e 275 milioni di anni fa, forse dovuto all'incrementata combustione di carbone organico (Berner, 1999). I mitocondri abilitarono gli eucarioti a prosperare sfruttando questo pericoloso e reattivo elemento. La fosforilazione ossidativa è molto più efficiente nel produrre energia rispetto, ad esempio, alla glicolisi o al ciclo dell'acido citico (Lodish et al., 1995); così gli organismi in grado di usare questa soluzione possono aver ricevuto un enorme vantaggio selettivo. Tuttavia ciò ha comportato a uno scambio dei benefici della fosforilazione ossidativa contrapposti al rischio di un'elevata produzione di radicali liberi."

Punti di riflessione

I mitocondri combinano il cibo che mangiamo e l'aria che respiriamo per generare l'energia di cui le nostre cellule hanno bisogno per funzionare efficacemente. Il nostro flusso sanguigno fornisce questi ingredienti essenziali, motivo per cui è fondamentale per noi avere un cuore forte (il motore) e un sistema circolatorio efficiente (la logistica). (MitoQ)

Molti segni distintivi ben caratterizzati dell'invecchiamento possono coinvolgere difetti energetici sottostanti che derivano dalla perdita della funzione mitocondriale con l'età. (Brandon Berry)

Alcune cellule diverse hanno quantità diverse di mitocondri perché hanno bisogno di più energia. Quindi, per esempio, il muscolo ha molti mitocondri, anche il fegato, anche i reni e, in una certa misura, il cervello, che vive dell'energia prodotta dai mitocondri. Quindi, se hai un difetto nei percorsi con cui i mitocondri di solito funzionano, avrai sintomi nel muscolo, nel cervello, a volte anche nei reni; molti diversi tipi di sintomi. E probabilmente non conosciamo tutte le diverse malattie causate dalla disfunzione mitocondriale. (William Gahl)

La capacità acquisita di “respirare” è un esempio di come tali esseri viventi siano riusciti ad adattarsi al mutare delle condizioni ambientali, trasmettere tale caratteristica alla progenie e giungere fino ai giorni nostri. (Odobiochem)

I mitocondri sono la “fabbrica di energia” del nostro corpo. Diverse migliaia di mitocondri sono presenti in quasi tutte le cellule del corpo. Il loro compito è elaborare l'ossigeno e convertire le sostanze degli alimenti che mangiamo in energia. I mitocondri producono il 90% dell'energia di cui il nostro corpo ha bisogno per funzionare.

Storia evolutiva dei mitocondri

L'origine dei mitocondri nelle cellule umane è molto antica e occorre risalire molto indietro nel tempo per individuarne le tracce. scrive il biologo James M. Cummins (vedi bibliografia 2001):

C'è attualmente un consenso [scientifico] sul fatto che i mitocondri sono nati dalla relazione endosimbiotica tra gli antenati delle cellule eucariote e gli alfa-proteobatteri. In questo processo endosimbiotico, i proto eucarioti acquisirono la capacità di usare l'ossigeno per la produzione di energia mediante la fosforilazione ossidativa (OXPHOS). C'è stato un pronunciato ed esteso incremento dell'ossigeno nell'atmosfera nel periodo tra 375 e 275 milioni di anni fa, forse dovuto all'incrementata combustione di carbone organico (Berner, 1999). I mitocondri abilitarono gli eucarioti a prosperare sfruttando questo pericoloso e reattivo elemento. La fosforilazione ossidativa è molto più efficiente nel produrre energia rispetto, ad esempio, alla glicolisi o al ciclo dell'acido citico (Lodish et al., 1995); così gli organismi in grado di usare questa soluzione possono aver ricevuto un enorme vantaggio selettivo. Tuttavia ciò ha comportato a uno scambio dei benefici della fosforilazione ossidativa contrapposti al rischio di un'elevata produzione di radicali liberi.

Come abbiamo visto l'evoluzione ha scelto la fosforilazione ossidativa come processo "chiave" della cellula per la produzione di energia, anche se ciò aumenta i radicali liberi che nel tempo la danneggiano. Non a caso Il biologo Saverio Ochoa ha definito la fosforilazione ossidativa la "stele di Rosetta" del metabolismo umano.

Con un processo endosimbiotico, i proto eucarioti acquisirono la capacità di usare l'ossigeno per la produzione di energia mediante la fosforilazione ossidativa. Secondo il biologo Saverio Ochoa la fosforilazione ossidativa, processo biochimico cellulare che regola la produzione di energia tramite la sintesi di ATP, è la "stele di Rosetta" del metabolismo umano, cioè permette di capire il funzionamento degli organismi

Da cosa è nata la vita umana (animali e piante, cellule e mitocondri)

Esistono diverse classificazioni degli esseri viventi. Una di queste suddivide i viventi in due domini tassonomici: Prokaryota ed Eukaryota. Il criterio per la distinzione è la presenza di un nucleo interno ben definito e isolato dal resto della cellula negli eucarioti (sia monocellulari sia pluricellulari), mentre i procarioti sono organismi unicellulari, privi di nucleo ben differenziato.

I procarioti sono stati i primi organismi viventi della storia della Terra, e si sono sviluppati nelle acque. Secondo l’ipotesi più diffusa, per circa 2 miliardi di anni sono esistite solo cellule procariote. Circa 1,5 miliardi di anni fa, alcuni procarioti si stabilirono all’interno di altri organismi in una sorta di simbiosi interna permanente dando origine alla cellula eucariota. Gli eucarioti quindi derivano dai procarioti attraverso il meccanismo di endosimbiosi (Endosymbiotic theory), postulato in forma completa da Lynn Margulis negli anni Sessanta del Novecento. I mitocondri mancano nelle cellule procariotiche, dove le funzioni respiratorie vengono espletate dalla glicolisi. Comunemente per respirazione cellulare si intende la respirazione cellulare aerobica, che avviene in presenza di ossigeno. Esiste poi una respirazione cellulare anaerobica di cui la forma più importante, comune a procarioti ed eucarioti, è la via metabolica antichissima della glicolisi.

La sterilizzazione della Terra

Il particolare assetto terrestre (inclinazione del suo asse rispetto al sole, strato di ozono in atmosfera, ecc.) è l'esito di una tremenda collisione, come scrive il fisico Michele Diodati (vedi bibliografia 2018):

Il limite più antico e generale è stato fatto coincidere con l’ultimo evento che certamente sterilizzò completamente la Terra, cancellando ogni possibile forma di vita preesistente, cioè la collisione con il planetoide Theia, che distrusse buona parte del mantello terrestre e diede origine alla formazione della Luna. L’evento è databile a 4,52 miliardi di anni fa: l’origine filogenetica di tutti gli organismi che vivono oggi sul pianeta non può risalire più indietro di così nel tempo.

Il Fanerozoico: da 542 milioni di anni fa ad oggi apparve la vita

L'età della Terra è stata ipotizzata in circa 4,5 miliardi di anni fa. L'eone Fanerozoico (da φανερός, visibile, e ζωή, vita = "vita visibile") è la seconda delle due grandi suddivisioni della scala dei tempi geologici durante la quale è esistita (ed esiste) abbondante vita animale. È l'eone corrente, iniziato 542,0 ± 1,0 milioni di anni fa, quando diversi animali a guscio duro, probabilmente antenati degli attuali molluschi, apparvero per la prima volta. Il tempo precedente all'eone fanerozoico è comunemente denominato Precambriano, ed unisce in sé i 3 eoni precedenti (Adeano, Archeano e Proterozoico).

Lo scontro che determinò la formazione della Luna

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La Terra è stata "sterilizzata" da ogni forma di vita biologica dall'impatto del planetoide Theia, che l'ha resa, per millenni, un pianeta infuocato e ha creato la Luna. Quest'evento, datato 4,52 miliardi di anni fa l'ha trasformata, nel tempo, in un pianeta stabile con delle condizioni climatiche e biologiche che hanno consentito l'evoluzione della vita. Prima dell'impatto si ipotizza che la Terra avesse un ambiente che oggi giudicheremmo infernale, con un’atmosfera priva di ossigeno, eruzioni vulcaniche continue, frequenti e devastanti impatti di comete e asteroidi

Orologio geologico: dalla formazione della Terra alla nascita della vita biologica

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Il progenitore di tutta la vita oggi nota sulla Terra non aveva mitocondri

Recenti evidenze filogenetiche suggeriscono che l'ultimo antenato comune universale visse durante il primo Archeano, forse intorno a 3,5 miliardi di anni fa o anche prima. Questa cellula, chiamata "LUCA" (dall'inglese: Last Universal Common Ancestor) è il progenitore di tutta la vita oggi nota sulla Terra. Probabilmente era un procariota, che possedeva una membrana cellulare e probabilmente dei ribosomi, ma a cui mancava un nucleo e altri organelli dotati di membrana come i mitocondri o i cloroplasti. Come tutte le cellule moderne, utilizzava il DNA per immagazzinare il codice genetico, l'RNA per il trasferimento delle informazioni e la sintesi delle proteine, e gli enzimi per catalizzare le reazioni.

L'albero della vita da quando è iniziata

Albero filogenetico basato su Woese et al. analisi dell'rRNA. La linea verticale in basso rappresenta l' ultimo antenato comune universale

L'ultimo antenato comune universale visse forse intorno a 3,5 miliardi di anni fa o anche prima. Questa cellula, chiamata "LUCA" (dall'inglese: Last Universal Common Ancestor) è il progenitore di tutta la vita oggi nota sulla Terra. Probabilmente era un procariota, che possedeva una membrana cellulare e probabilmente dei ribosomi, ma a cui mancava un nucleo e altri organelli dotati di membrana come i mitocondri o i cloroplasti. Come tutte le cellule moderne, utilizzava il DNA per immagazzinare il codice genetico, l'RNA per il trasferimento delle informazioni

Quali sono le funzioni dei nostri mitocondri?

Quale funzione svolgono i mitocodri lo spiega MitoQ (vedi bibliografia) insieme a cosa succede ai mitocondri man mano che invecchiamo, essi scrivono:

Durante il processo di generazione dell'energia, queste piccole centrali elettriche possono anche produrre un sottoprodotto dannoso: i radicali liberi. I radicali liberi possono danneggiare le pareti dei nostri mitocondri, che sono necessarie per proteggere il processo critico di produzione di energia che avviene all'interno. Se la parete mitocondriale è danneggiata, viene prodotta meno energia. A peggiorare le cose, se la membrana mitocondriale può essere compromessa, alcuni radicali liberi possono penetrare nella cellula danneggiando potenzialmente i delicati dispositivi al suo interno.
La buona notizia è che i mitocondri sono intelligenti: si proteggono con un antiossidante prodotto naturalmente chiamato CoQ10. Questo viene utilizzato per rivestire le pareti mitocondriali con una barriera difensiva, che aiuta a neutralizzare i radicali liberi distruttivi e riduce al minimo qualsiasi impatto negativo sulla produzione di energia, nonché potenziali danni alle cellule. Con l'avanzare dell'età, il livello di CoQ10 prodotto all'interno dei nostri mitocondri diminuisce. Non ce ne accorgiamo subito, ma col tempo possiamo iniziare a rallentare. Potremmo non riprenderci così rapidamente da un infortunio o da una malattia e possiamo sentirci più stanchi.

Un individuo su 5.000 ha una malattia mitocondriale genetica. Ogni anno, da 1.000 a 4.000 bambini negli Stati Uniti nascono con una malattia mitocondriale. Con il numero e il tipo di sintomi e sistemi di organi coinvolti, le malattie mitocondriali vengono spesso scambiate per altre malattie più comuni.

Scoperta del Coenzima Q10

La scoperta dell’ubiquinone risale a tempi relativamente recenti: il primo a ipotizzarne il ruolo metabolico fu Crane nel 1957, mentre la sua struttura fu rivelata da Folkers e colleghi nel 1958; è solo dagli anni 60, tuttavia, che la sua funzione come trasportatore di elettroni nella catena respiratoria mitocondriale (i mitocondri sono le “centrali energetiche” della cellula) è stata definitivamente accertata. Successivamente, tra la fine degli anni ‘80 e l’inizio dei ‘90, l’ubiquinone è stato oggetto di crescente interesse per la sua capacità antiossidante evidenziata da esperimenti in vitro sui fosfolipidi delle membrane cellulari e sulle lipoproteine a bassa densità (LDL). Recentemente si è verificata la capacità protettiva dell’ubiquinone nei confronti del DNA e dei danni ossidativi che esso può subire ad opera dei radicali liberi

Malattie mitocondriali

Immagine schematica che mostra le caratteristiche cliniche e gli organi colpiti dalle malattie mitocondriali.

Le malattie mitocondriali sono malattie croniche (a lungo termine), genetiche, spesso ereditarie che si verificano quando i mitocondri non riescono a produrre energia sufficiente per il corretto funzionamento del corpo. (Ereditato significa che il disturbo è stato trasmesso dai genitori ai figli.) Le malattie mitocondriali possono essere presenti alla nascita, ma possono anche verificarsi a qualsiasi età. Le malattie mitocondriali possono colpire quasi ogni parte del corpo, comprese le cellule del cervello, i nervi, i muscoli, i reni, il cuore, il fegato, gli occhi, le orecchie o il pancreas

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Conclusioni (provvisorie): I mitocondri sono la “fabbrica di energia” del nostro corpo. Il loro compito è elaborare l'ossigeno e convertire le sostanze che mangiamo in energia

per scaricare le conclusioni (in pdf):

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Bibliografia (chi fa delle buone letture è meno manipolabile)

Malattie Mitocondriali - Cleveland Clinic
Joseph Tauskela (2007), MitoQ--a mitochondria-targeted antioxidant - NIH
Brandon Berry, Matt Kaeberlein (2021), An energetics perspective on geroscience: mitochondrial protonmotive force and aging - NIH
Erica Peirson (2016), Mitochondria - Why They're Important and What They Need to Function - Person Center for Children
James M. Cummins (2001), Mithocondria: potential roles in embryogenesis and nucleocytoplasmic transfer (PDF) [5 citazioni]
Thomas Cotter (2007), Apoptosi: morte cellulare programmata - Treccani
Cosa sono i mitocondri? - Centro Fondazione Mariani
Edward Ch. Slater (1978), Fosforilazione ossidativa - Treccani
(2014), Mitocondri . wellentheorie
Mauro Mandrioli (2015), L’evoluzione del genoma eucariotico: studiare l’evoluzione con i “big data” - Pikaia
Michele Diodati (2018), LUCA è vecchio quasi quanto la Terra - Spazio, Tempo, Luce, Energia
Valentina Guglielmo (2020), Mitocondri, tallone d’Achille degli astronauti

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Spesa annua pro capite in Italia per gioco d'azzardo 1.583 euro, per l'acquisto di libri 58,8 euro (fonte: l'Espresso 5/2/17)

Pagina aggiornata il 25 luglio 2023