La Centrale Elettrica della Cellula

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Di Redazione Metropolitan

Sono l’argomento principe per gli studenti che preparano un esame di biologia cellulare e c’e` chi li odia e chi, piano piano, impara ad amarli.

Ogni tanto salgono agli onori della cronaca a causa di qualche scoperta che li riguarda e non sono in pochi coloro che si trovano incuriositi dalla loro peculiare natura e dalla loro affascinante biologia. Parliamo dei mitocondri: tutti abbiamo, almeno una volta in vita nostra, sentito parlare delle “centrali elettriche della cellula” che “bruciano zuccheri per produrre energia”.

Doverose precisazioni

Intanto iniziamo con le classiche puntualizzazioni: i mitocondri, come anche le vere centrali elettriche, non creano energia (nulla si crea in questo universo) ma la trasformano da una forma, in questo caso l’energia di legame carbonio-carbonio (C-C), in un’altra, nel nostro esempio energia di legame pirofosforico (fosfato-fosfato) dell’ATP (adenosina trifosfato).

Non e` corretto nemmeno dire che “bruciano zuccheri” perche` lo zucchero viene processato dalla cellula con un processo chiamato glicolisi; a differenza della glicolisi, che trasforma direttamente l’energia del legame C-C in ATP (un processo che si chiama fosforilazione a livello di substrato), i mitocondri convertono l’energia del legame C-C dell’acetile in energia che immagazzinano nel potenziale elettrochimico degli ioni idrogeno (protoni) attraverso il processo estremamente complesso della respirazione cellulare, e infine convertita dall’enzima ATP sintasi in ATP (questo processo e` chiamato fosforilazione ossidativa, abbreviato in OXPHOS).

Le motivazioni di queste differenze risalgono alla comparsa della vita sul nostro pianeta e ne parleremo in dettaglio piu` avanti.

Mitocondri (verde) da cellule umane in coltura.
Foto: Matteo Bonas
L’affascinante processo della respirazione cellulare

Il processo della respirazione cellulare e` alimentato principalmente da una serie di reazioni chimiche a catena noto come Ciclo dell’acido citrico o Ciclo di Krebs (dal nome dello scienziato che per primo scopri` e caratterizzo` questo processo biochimico).

Le reazioni dl Ciclo di Krebs ossidano i due atomi di carbonio dell’acetato ad anidride carbonica (CO2) “strappandogli” una coppia di elettroni; questi elettroni vengono poi usati dagli enzimi della catena respiratoria in una serie di reazioni che culminano nella riduzione dell’ossigeno molecolare (che viene dall’aria che respiriamo) ad acqua.

(piu` avanti parleremo anche delle proprieta` quantistiche degli elettroni sfruttate dai mitocondri per trasportare piu` efficientemente gli elettroni da una proteina all’altra, biologia quantistica quella vera!)

Come nel circuito elettrico di casa, i mitocondri usano gli elettroni che passano attraverso gli enzimi respiratori per “muovere” delle macchine elettriche, che in questo caso sono proteine, che pompano protoni (ioni H+) all’esterno dei mitocondri.

Dal momento che la membrana mitocondriale e` impermeabile ai protoni, questi si accumulano all’esterno e questo crea una differenza di potenziale elettrico (i protoni sono carichi positivamente) e chimico (ci sono piu` ioni idrogeno fuori che dentro) che “urge” queste particelle a tornare all’interno; l’energia cosi` generata viene usata dall’enzima ATP sintasi per generare il legame pirofosforico dell’ATP.

Il segreto dei mitocondri

Per produrre l’energia di cui le nostre cellule hanno bisogno i mitocondri mantengono costantemente un potenziale elettrico di circa 150-220 millivolts (un campo elettrico da ~30 milioni di volts per metro!) abbastanza per bruciare tutta la baracca se non adeguatamente controllato dai geni e questo ci porta al prossimo punto della nostra storia ovvero perche` i mitocondri hanno un proprio DNA e che cosa questo comporta. Alla prossima…

 

Bibliografia

Mazat, J. P., Ransac, S., Heiske, M., Devin, A., & Rigoulet, M. (2013). Mitochondrial energetic metabolism—some general principles. IUBMB life, 65(3), 171-179.

Lane, N. (2011). The costs of breathing. Science, 334(6053), 184-185.