LDS – Che cos’è un mitocondrio e cosa se ne fa di un DNA??

Benvenuti! Prima, dopo o durante la lettura di questo post, abbiate cura di guardare il video associato di LDS!!

Vi siete mai chiesti dove troviamo l’energia che ci serve? O meglio, come ricaviamo energia dal cibo che mangiamo e digeriamo?

Per rispondere dovremmo andare ad ore e ore di lezioni di fisiologia e biochimica ma ci limiteremo a dire che un tipico organismo cerca e ingeste dei nutrienti dalla quale vuole ricavare materie prime ed energia.

L’energia, in generale, può essere ottenuta in due maniere: fermentazione o respirazione. Esatto! Alcool la prima e CO2 la seconda (se volete sapere di più sulla base biochimica della bioenergetica cellulare, fate riferimento a qualsiasi testo di biochimica o biologia cellulare. Qui avete un estratto ufficiale del libro Molecular Cell Biology). Sicuramente sarete degli esperti sulla fermentazione (birra e pane vi dicono niente?), ma per oggi, non ce n’è occupiamo. Gaetano è pur sempre un chimico quindi guardate il suo video per la sua breve spiegazione sul ciclo energetico e sull’ATP!

La respirazione avviene ogni momento all’interno le nostre cellule per produrre la maggioranza dell’energia di cui il nostro corpo ha bisogno. Questo processo deve avvenire in un luogo dedicato nella quale ambiente e componenti sono altamente adattati ed adeguati per il processo. Questo luogo è il mitocondrio. Una macchina specializzata per la produzione dell’energia che si trova all’interno di ogni nostra cellula. Non solo, ma anche all’interno di ogni cellula eucariote conosciuta (o quasi!). Questo perché ogni organismo dipende sull’energia che può estrarre dai nutrienti che trova, e l’utilizzo del mitocondrio è l’alternativa più efficiente.

Il mitocondrio è uno degli organelli più strani che ci sono: ha una doppia membrana, può dividersi/moltiplicarsi e formare reti piuttosto complesse e ha il suo DNA personale all’interno (puntini neri visibili all’interno dell’organello nella figura, vedete Molecular Biology of the Cell per più informazioni su questo organello)! Lo sapevate?? Avete capito bene, i mitocondri hanno del DNA, ma non quello che noi normalmente intendiamo, quello genomico “nucleare”, bensì quello “mitocondriale”. Questo significa che ognuno di noi possiede due corredi genetici: nucleare e mitocondriale!

mitocondrio.jpg
Simpatico mitocondrio visto al microscopio elettronico. Assomiglia ad un batterio no?

Perché il mitocondrio è l’unico organello con un suo DNA personale? Se tutta l’informazione di cui abbiamo bisogno è tratta dal DNA genomico cosa se ne fa? In realtà questa domanda ha incuriosito gli scienziati per molto tempo, visto che, in principio, non c’è alcun bisogno di avere due corredi genetici separati.

L’ipotesi oggi più accettata è che il mitocondrio deriva in realtà da un’antica forma di batterio (leggete qui per dettagli)! Questo batterio sarebbe entrato in una cellula per un processo chiamato endocitosi (o fagocitosi), solitamente condotto per “mangiare” il batterio ingerito, da parte di una cellula più grande (un protista?). Ma per qualche motivo, durante questa endocitosi cruciale, il batterio è restato intrappolato senza essere “digerito” senza poter più uscire, risultando in una cellula dentro un’altra cellula; un organismo dentro un altro organismo. Il batterio tutto d’un tratto si ritrova protetto in un ambiente ricco di nutrienti ed è più che contento di restare lì; allo stesso tempo la cellula che ha endocitato il batterio si trova d’un tratto capace di utilizzare l’energia prodotta dalla respirazione cellulare batterica, di cui prima non poteva usufruire. Questo garantisce un’enorme vantaggio evolutivo per questo nuovo super-organismo, e a quanto pare si diffonderà tanto da dare origine a quelle che chiamiamo cellule eucariote; di cui anche noi siamo composti.

fagocitosi.jpg
Schematica rappresentazione per darvi un’idea di cosa parliamo quando menzioniamo una endocitosi o fagocitosi (non entreremo nei dettagli)

Non solo, questa collaborazione tra i due nel tempo si è spinta cosi in là che ora DNA nucleare e mitocondriale, cosi come le proteine necessarie ad entrambi, sono completamente mischiate! Cosi incastrate che ora nessun membro di questa collaborazione può sopravvivere senza l’altro.

Molte prove indicano che questa ipotesi sia corretta (anche se non mancano le critiche), ma tra le più evidenti troviamo un DNA circolare (invece che lineare) tipico dei batteri e molecole come RNA ribosomiale e transfer molto simili a quelle batteriche. Non vi ho anche detto che i mitocondri possono dividersi (come batteri)? Ma il DNA mitocondriale non è unico solo per questo, c’è di più.

Se ricordate un po’ di biologia dal liceo, vi ricorderete che le cellule si dividono in due per un processo chiamato mitosi, e durante questo processo il DNA nucleare viene duplicato cosicché ogni cellula prodotta contenga una singola copia di DNA normale. Ma pensateci un secondo! Il DNA mitocondriale non è nel nucleo, come viene trasmesso alla progenie??

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Gaetano apprezzerà il francese 😉 Qui si possono vedere diverse fasi della fecondazione: (A) Molti spermatozoi nuotano e arrivano alla cellula uovo. (B) Solo uno riesce ad entrare e a “iniettare” il suo contenuto genetico nella cellula uovo. (C) La fusione dei due nuclei è l’apice della fecondazione, l’istante in cui la nuova vita sta per originare.

La questione è molto peculiare: ricordate sempre dal liceo la fecondazione? Quella cosa con la cellula uovo e lo spermatozoo che si fondono assieme? Ebbene è qui che troviamo il trucco. Quando i due gameti si fondono assieme, troviamo mitocondri sia nella cellula uovo (che è più o meno una cellula normale, quindi ha bisogno assolutamente di mitocondri) che nello spermatozoo (perché per “nuotare” distanze cosi grandi ha bisogno di molte energie). Il problema è che i mitocondri nello spermatozoo si trovano solo nella sua “coda”, dove l’energia effettivamente serve, mentre nella sua “testa” in pratica non se ne trova nessuno. Questo fa sì che durante la fecondazione, i mitocondri non riescono ad entrare nella cellula uovo(solo la testa supera la barriera dell’uovo), ma se anche qualche mitocondrio riesce a passare, esso viene digerito e distrutto dalla cellula uovo (in questo bell’articolo trovate un’ulteriore spiegazione).

Riuscite a capire cosa significa tutto ciò? Esatto!! I mitocondri vengono passati non da entrambi i sessi (mamma e papà) ma solo dal sesso femminile (quello che provvede l’uovo)!! Questo significa che il DNA mitocondriale ha un’eredità strettamente femminile, ovvero, avete lo stesso DNA mitocondriale di vostra madre (mentre avete solo il 50% del DNA nucleare di ogni genitore)!!

Più di essere una curiosità biologica, il DNA mitocondriale ci permette di compiere interessanti analisi di tipo genealogico ed evoluzionistico. Pensate infatti, essendo ad eredità materna e sapendo che un figlio ha lo stesso DNA mitocondriale della madre, analizzando la sequenza nucleotidica di regioni conservate (cioè che non cambiano molto), possiamo risalire a molte generazioni nel passato!! Questo permette studi sull’evoluzione cosi come in genetica forense. Le implicazioni di questa eredità e delle diverse proprietà dei mitocondri sono ancora in fase di studio e non sono del tutto chiare, ma rappresentano grandi potenziali applicazioni.

Mentre riflettete sulla macchina molecolare che 24h su 24 lavora e produce energia per voi nel vostro corpo, e date un bacio a vostra mamma per ringraziarla di quel DNA mitocondriale (non scherzo, fatelo davvero!), fatemi introdurre le mie avventure! Le avventure di un biologo molecolare nel suo percorso di studi.

Benvenuti su Biologist’s Adventure! Ringrazio il Laboratorio di divulgazione scientifica Dottor Wow per la disponibilità a questa collaborazione! Restate in attesa per altri articoli nel futuro 🙂

P.S. Se ve la cavate con l’inglese e siete interessati agli altri contenuti, datevi da fare, c’è parecchio a cui dare un’occhiata 😉 Perchè non partire da Muting Questions #5 – Are the things we know really true?? – An eukaryote without mitochondria?

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