Funzioni

Alla membrana mitocondriale esterna sono associati numerosi enzimi che partecipano a diverse reazioni della biosintesi degli acidi grassi e dei fosfolipidi e sono responsabili di alcune reazioni di ossidazione; un enzima caratteristico di questa membrana è la monoamminossidasi .

Anche lo spazio intermembrana contiene molti enzimi, come l’adenilato chinasi, che utilizzano l’ATP prodotto dai sistemi enzimatici presenti nella matrice e sulla membrana mitocondriale interna per fosforilare altri nucleotidi necessari al metabolismo cellulare.

La membrana mitocondriale interna contiene numerose proteine che possono essere riunite in tre gruppi principali: gli enzimi della catena respiratoria, coinvolti nella fosforilazione ossidativa; le proteine che costituiscono il complesso enzimatico detto ATP-sintetasi; le specifiche proteine vettrici (dette anche sistemi navetta) che regolano il passaggio di vari metaboliti (fosfato inorganico, ADP, ATP, acidi di- e tricarbossilici, Ca²⁺ e alcuni amminoacidi) verso e dalla matrice mitocondriale. Il complesso dell’ATP-sintetasi forma piccole protrusioni, chiamate corpi elementari oparticelle della membrana, ed è costituito da due componenti principali denominati F₀ e F₁; F₁ sporge verso la matrice ed è attaccato tramite un peduncolo a F₀ che è inserito nello spessore della membrana interna, attraversandola. Alla membrana mitocondriale interna si trovano associati anche due enzimi del ciclo dell’acido citrico, l’aconitasi e la succinatodeidrogenasi.

La matrice mitocondriale contiene una miscela concentrata di enzimi diversi, tra cui gli enzimi del ciclo dell’acido citrico, della β-ossidazione degli acidi grassi, il sistema della piruvatodeidrogenasi; contiene inoltre: ATP, ADP, AMP, fosfato inorganico (P_i), NAD, NADP, il coenzima A, vari ioni come K⁺, Mg²⁺ e Ca²⁺. Qui ha luogo il ciclo dell’acido citrico, o degli acidi tricarbossilici, i cui principali prodotti finali sono CO₂, NADH e FADH₂; questi ultimi due costituiscono l’elemento di raccordo tra il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa; essi cedono la propria carica elettronica agli enzimi della catena respiratoria, al termine della quale si ha la formazione di ATP e acqua.

Gli elettroni provenienti dall’idrogeno di NADH e FADH₂, formatisi nel ciclo dell’acido citrico, vengono trasportati lungo la catena del trasporto elettronico nella membrana mitocondriale interna (la catena respiratoria) e l’energia che si libera al loro passaggio serve a pompare protoni, attraverso la membrana mitocondriale interna, dalla matrice allo spazio intermembrana. Si instaura così un gradiente elettrochimico protonico tra i due lati della membrana mitocondriale interna e il flusso inverso di protoni lungo il gradiente serve a pilotare l’attività dell’enzima ATP-sintetasi, che catalizza la trasformazione ADP + P_i → ATP e conclude il processo della fosforilazione ossidativa. I gruppi che si susseguono lungo la catena respiratoria presentano affinità progressivamente crescente per gli elettroni: gli elettroni si muovono in cascata dal NADH a livelli energetici via via più bassi, andando da un complesso enzimatico al successivo fino a raggiungere l’ossigeno molecolare, che ha nei loro confronti la massima affinità. Gli enzimi della catena respiratoria sono in grado di trasportare un solo elettrone alla volta; dato che ogni NADH cede due elettroni e una molecola di ossigeno, per trasformarsi in acqua, deve riceverne il doppio, esistono lungo questa catena enzimatica dei punti di raccolta e dei punti di dispersione degli elettroni. Gran parte dell’energia liberata durante il trasporto degli elettroni è utilizzata per sospingere i protoni idrogeno (H⁺) dalla matrice verso lo spazio intermembrana e poi al di fuori del mitocondrio. Si genera così un gradiente di pH attraverso la membrana mitocondriale interna caratterizzata da una concentrazione di H⁺ nella matrice mitocondriale molto inferiore rispetto a quella presente nel resto della cellula. Il gradiente elettrochimico protonico prodotto ha l’effetto di risospingere i protoni all’interno del m. attraverso il complesso proteico transmembranale dell’ATP-sintetasi che utilizza l’energia del flusso protonico per sintetizzare ATP, a partire da ADP e P_i, all’interno della matrice mitocondriale. Grazie al gradiente elettrochimico protonico e all’azione di specifiche proteine vettrici, sia gli enzimi della matrice sia la stessa ATP-sintetasi ricevono i propri substrati in concentrazioni elevate mediante trasporto attivo.

Altra funzione vitale del gradiente elettrochimico della membrana mitocondriale interna consiste nel pompare ioni Ca²⁺ con un meccanismo attivo dal citoplasma cellulare alla matrice mitocondriale. Il meccanismo di accumulo del calcio nella matrice mitocondriale è di notevole importanza nella regolazione della concentrazione del Ca²⁺ nel citoplasma cellulare, in genere molto bassa.

Esistono molti altri sistemi trasportatori attraverso la membrana mitocondriale interna, specifici per altre sostanze necessarie ai vari cicli metabolici del mitocondrio: per es., il piruvato per il ciclo dell’acido citrico. Il sistema navetta per l’acido grasso, ha l’effetto di tenere separati i pool extramitocondriale e intramitocondriale degli acidi grassi e del coenzima A (CoA). Gli acidi grassi sono attivati sulla membrana mitocondriale esterna, mentre la loro ossidazione ha luogo nella matrice mitocondriale; dato che le molecole di acil-CoA a lunga catena carboniosa non possono attraversare facilmente la membrana mitocondriale interna, vengono trasportate dalla carnitina.

Riguardo l’origine e l’evoluzione dei m., esistono prove convincenti secondo le quali la presente struttura mitocondriale deriva da una simbiosi tra una cellula eucariotica, in grado di aver ben sviluppato il processo glicolitico anaerobico, e una cellula procariotica (per es., un batterio) che aveva sviluppato un sistema di una catena trasportatrice di elettroni transmembrana.