Ogni giorno, un adulto sano produce circa 50 kg di ATP, la molecola che fornisce energia alle cellule, secondo una revisione del 2015. La maggior parte proviene dai suoi mitocondri. Ecco come funziona un mitocondrio, cosa cambia con l'età e cosa ne favorisce il mantenimento secondo gli studi.
L'essenziale
- Una molecola di glucosio completamente ossidata grazie ai mitocondri produce fino a 33 ATP, contro 2 con la sola glicolisi (calcolo teorico del 2017).
- Il DNA mitocondriale, di circa 16 600 coppie di basi, contiene 37 geni e si trasmette quasi sempre per via materna.
- Secondo uno studio del 2008, la produzione di ATP dei mitocondri muscolari diminuisce con l'età nei sedentari, ma non negli sportivi di resistenza.
- In uno studio del 2017, 12 settimane di allenamento a intervalli hanno aumentato del 69 % la respirazione mitocondriale muscolare di 9 adulti tra i 65 e gli 80 anni.
Che cos'è un mitocondrio?
Un mitocondrio è un organello: un compartimento specializzato della cellula, delimitato da due membrane, che utilizza l'ossigeno per convertire l'energia degli alimenti in ATP. Visibile al microscopio ottico, forma spesso con i suoi vicini una rete di tubi che si dividono e si fondono continuamente.
L'immagine della «centrale energetica della cellula» risale al 1957. Una revisione del 2023 la giudica troppo semplice ed elenca decine di funzioni.
Due membrane, creste e una matrice
La membrana esterna è porosa: alcuni canali lasciano passare ioni e piccole molecole. La membrana interna, impermeabile, lascia passare soltanto ciò che i suoi trasportatori selezionano; vi si mantiene una differenza elettrica di circa 180 millivolt. Si ripiega in creste, dove si concentrano la catena respiratoria e l'ATP sintasi. Al centro, la matrice, ricca di proteine, ospita il DNA mitocondriale e il ciclo di Krebs.
Un DNA distinto, trasmesso dalla madre
Il mitocondrio possiede il proprio DNA: una molecola circolare di circa 16 600 coppie di basi, presente in più copie. I suoi 37 geni codificano 13 proteine della catena respiratoria e dell'ATP sintasi, e 24 RNA che servono a produrle. Questo DNA si trasmette dalla madre.
Mutazioni di questo DNA, o di geni del nucleo, causano malattie mitocondriali: malattie genetiche rare, con sintomi vari, che richiedono un controllo medico specialistico.
Un antico batterio diventato organello
Il mitocondrio discende da un batterio imparentato con gli alfaproteobatteri, assorbito da un'altra cellula circa 1,6 miliardi di anni fa: è la teoria dell'endosimbiosi. Ne conserva tracce, come i propri ribosomi e complessi respiratori molto simili a quelli dei batteri.
Quanti mitocondri ci sono in una cellula?
Dipende dal tessuto. Poiché i mitocondri formano spesso una rete, si misura piuttosto il numero di copie di DNA mitocondriale (diverse per mitocondrio): generalmente da 100 a 5 000 per cellula, secondo una revisione del 2023. Una cellula del muscolo cardiaco ne contiene in media oltre 6 000, un globulo bianco circa 350.
Come produce ATP il mitocondrio?
Fa passare gli elettroni sottratti ai nutrienti (glucosio, acidi grassi, alcuni amminoacidi) fino all'ossigeno e usa l'energia liberata per produrre ATP. Ecco le fasi per il glucosio.
| Fase | Dove | Che cosa accade | Molecole chiave |
|---|---|---|---|
| Glicolisi | Citoplasma | Il glucosio viene diviso in due piruvati; guadagno di 2 ATP | Glucosio, piruvato, NADH |
| Ciclo di Krebs | Matrice | Il piruvato, trasformato in acetil-CoA, viene ossidato a CO2 | Acetil-CoA, NADH, FADH2 |
| Catena respiratoria | Creste della membrana interna | Gli elettroni arrivano fino all'ossigeno; vengono pompati protoni | Complessi da I a IV, coenzima Q10, citocromo c |
| ATP sintasi | Creste della membrana interna | Il ritorno dei protoni fa girare il motore che produce ATP | ADP, fosfato, ATP |
Il complesso I riceve gli elettroni dal NADH, il complesso II quelli del succinato, un intermedio del ciclo di Krebs. Il coenzima Q10 li porta al complesso III, poi il citocromo c al complesso IV, che li cede all'ossigeno per formare acqua. Leggete anche la differenza tra NAD+ e NADH.
I complessi I, III e IV pompano protoni fuori dalla matrice. Tornando attraverso l'ATP sintasi, fanno girare un anello di 8 subunità, rotore di un motore che assembla l'ATP. In totale, l'ossidazione completa di un glucosio produce al massimo 33,45 ATP, secondo un calcolo del 2017.
Radicali liberi, calcio, calore: gli altri ruoli dei mitocondri
Durante il passaggio, alcuni elettroni sfuggono e reagiscono con l'ossigeno: si formano specie reattive dell'ossigeno, soprattutto a livello dei complessi I e III. A lungo considerate semplici scarti, servono anche da segnali. In uno studio nell'uomo, antiossidanti a dosi elevate hanno persino annullato alcuni benefici dell'allenamento (vedete lo stress ossidativo e gli antiossidanti).
I mitocondri captano e rilasciano anche il calcio, innescano la morte cellulare programmata liberando il citocromo c e producono calore quando una proteina come UCP1 disaccoppia la respirazione dalla produzione di ATP. Nelle ghiandole surrenali e nelle gonadi assicurano la prima fase della sintesi degli ormoni steroidei a partire dal colesterolo.
Come mantiene la cellula i propri mitocondri?
Attraverso un controllo di qualità permanente. I mitocondri si fondono e si dividono continuamente, il che permetterebbe di isolare una porzione danneggiata. Quando uno di essi perde il potenziale elettrico, la proteina PINK1 si accumula sulla sua superficie e recluta Parkin, che lo contrassegna per la distruzione: è la mitofagia. Al contrario, la biogenesi, coordinata dalla proteina PGC-1α, moltiplica i mitocondri esistenti.
Che cosa cambia con gli anni nei mitocondri?
La loro capacità di produrre ATP diminuisce, ma l'inattività contribuisce nettamente. Uno studio del 2008 ha confrontato 42 adulti giovani (da 18 a 30 anni) o anziani (da 59 a 76 anni), sedentari o allenati nella resistenza. Nei sedentari, i mitocondri muscolari dei più anziani producevano meno ATP. Negli sportivi, la differenza legata all'età non era significativa, anche se i più anziani mantenevano meno DNA mitocondriale.
Non tutti i tessuti invecchiano allo stesso modo. In uno studio del 2016 su 152 persone sottoposte ad autopsia, di età compresa tra 3 giorni e 96 anni, le copie di DNA mitocondriale diminuivano con l'età nel muscolo, soprattutto negli uomini, ma aumentavano nel fegato.
Anche le mutazioni del DNA mitocondriale si accumulano con l'età. Negli animali, la mitofagia rallenta in una zona del cervello e il NAD+, trasportatore di elettroni verso la catena respiratoria, diminuisce in diversi tessuti. Nell'uomo, questo calo dipende dal tessuto (vedete il NAD+ e la sua evoluzione con l'età).
La teoria mitocondriale dell'invecchiamento, da valutare con cautela
Secondo la teoria dei radicali liberi, proposta nel 1956, i danni causati dagli ossidanti farebbero invecchiare l'organismo; i mitocondri, che li producono, si sono trovati al centro di questa idea. Negli animali, neutralizzare questi ossidanti ha allungato la vita in alcuni modelli, ma non in altri, e una maggiore quantità di ossidanti talvolta l'ha prolungata.
I topi «mutatori», il cui DNA mitocondriale accumula errori, invecchiano prematuramente. Ma le loro mutazioni differiscono, per tipo e numero, da quelle dell'invecchiamento normale: il ruolo delle mutazioni nell'invecchiamento rimane discusso.
Come mantenere i propri mitocondri: cosa mostrano gli studi?
L'attività fisica è la leva meglio dimostrata nell'uomo, a ogni età: stimola la biogenesi mitocondriale.
Resistenza e allenamento a intervalli
In uno studio del 2003, 65 adulti tra i 21 e gli 87 anni hanno seguito 16 settimane di allenamento di resistenza, rispetto a 37 controlli. L'attività di due enzimi mitocondriali del muscolo è aumentata dal 45 al 76 %, indipendentemente dall'età.
Nel 2017, uno studio ha assegnato casualmente adulti tra i 18 e i 30 anni e tra i 65 e gli 80 anni a tre programmi di 12 settimane. L'allenamento a intervalli associava tre sessioni di ciclismo a settimana (4 volte 4 minuti a oltre il 90 % del consumo massimo di ossigeno) e due di camminata. Ha aumentato la respirazione massima dei mitocondri muscolari del 69 % nei 9 partecipanti anziani e del 49 % nei 14 giovani. Il programma di ciclismo moderato e allenamento con i pesi ha avuto un effetto significativo soltanto nei giovani (+38 %), e il solo allenamento con i pesi in nessun gruppo.
L'allenamento aumenta anche la NAMPT muscolare, l'enzima chiave del riciclo del NAD+: vedete le leve studiate per aumentare il proprio NAD+.
Sonno e alimentazione
La mancanza di sonno potrebbe influire sui mitocondri. In un piccolo studio del 2021 (24 giovani uomini, tre gruppi da 8), cinque notti con 4 ore a letto hanno ridotto la tolleranza al glucosio rispetto al gruppo che dormiva 8 ore. Anche la respirazione mitocondriale muscolare è diminuita di circa il 18 %, ma senza una differenza significativa rispetto a questo gruppo. Questi cali non sono stati osservati nel gruppo che ha aggiunto tre sessioni di allenamento a intervalli.
Sul versante alimentare, uno studio del 2007 ha testato 6 mesi di restrizione calorica in 36 adulti in sovrappeso. Mangiare il 25 % di calorie in meno ha aumentato del 35 % la quantità di DNA mitocondriale muscolare (+21 % con restrizione ed esercizio, +2 % nei controlli), senza cambiare l'attività degli enzimi mitocondriali. Una simile restrizione non si improvvisa: chiedete consiglio a un professionista sanitario.
Vitamine, minerali, integratori: che cosa si può dichiarare?
Quindici vitamine e minerali dispongono di un'indicazione autorizzata sul metabolismo energetico: acido pantotenico, biotina, calcio, rame, ferro, iodio, magnesio, manganese, niacina, fosforo, riboflavina, tiamina e vitamine B6, B12 e C. Il prodotto deve esserne almeno una «fonte» ai sensi della normativa.
Diversi lavorano nel mitocondrio. La riboflavina (B2) serve agli enzimi flavinici della catena respiratoria, la niacina (B3) a produrre NADH, l'acido pantotenico (B5) a formare il coenzima A. La tiamina (B1) è indispensabile ai complessi enzimatici del ciclo di Krebs, e il ferro entra negli otto centri ferro-zolfo del complesso I.
Formulazioni esatte: «La riboflavina contribuisce al normale metabolismo energetico», «La niacina contribuisce al normale metabolismo energetico» e «Il magnesio contribuisce al normale metabolismo energetico». Leggete i nostri articoli sulla vitamina B3 e sulle forme di magnesio. Il coenzima Q10, la L-carnitina e l'acido alfa-lipoico, invece, non hanno alcuna indicazione sulla salute autorizzata.
I precursori del NAD+ restano un tema di ricerca. In uno studio del 2020 condotto su 40 uomini obesi e insulino-resistenti, 2 g al giorno di nicotinamide riboside per 12 settimane, confrontati con un placebo, non hanno modificato né il NAD+ muscolare né i suoi mitocondri (respirazione, quantità, forma). Gli altri studi figurano nel nostro confronto NMN o NR.
Domande frequenti
Il mitocondrio ha un nucleo?
No. Il suo DNA è compattato in piccoli pacchetti, i nucleoidi, che contengono il più delle volte una sola copia del genoma mitocondriale.
Perché si dice che il mitocondrio è semiautonomo?
Perché ha il proprio DNA ma produce soltanto una minima parte delle sue proteine. Nel corso dell'evoluzione ha trasferito fino al 99 % dei suoi geni al nucleo: la maggior parte delle sue proteine viene prodotta nel citoplasma e poi importata.
Tutte le nostre cellule hanno mitocondri?
Quasi tutte. I globuli rossi fanno eccezione: maturando perdono il nucleo ed eliminano i mitocondri per mitofagia, grazie a una proteina chiamata NIX.
Il DNA mitocondriale proviene sempre dalla madre?
Quasi sempre. Un caso di origine paterna è stato descritto nel 2002 nel muscolo di un paziente con miopatia, ma non negli altri pazienti studiati successivamente: questa trasmissione resta eccezionale e discussa.
Si può misurare lo stato dei propri mitocondri?
Non in modo semplice. Gli studi citati qui analizzano mitocondri prelevati mediante biopsia muscolare. Il numero di copie di DNA mitocondriale, talvolta misurato nel sangue, varia da un tessuto all'altro, spesso senza correlazione nella stessa persona: non informa quindi necessariamente sugli altri tessuti.
Un affaticamento persistente può derivare da una malattia mitocondriale?
È possibile, ma poco probabile: queste malattie genetiche sono rare. Un affaticamento che dura ha molte altre cause: se persiste per più di qualche settimana, consultate un medico.
Conclusione
Il mitocondrio è molto più di una centrale energetica: produce la maggior parte dell'ATP, ma gestisce anche il calcio, la morte cellulare, il calore e alcuni ormoni. Con l'età, la sua capacità diminuisce, in parte a causa dell'inattività. La resistenza e l'allenamento a intervalli restano le leve meglio dimostrate, anche dopo i 65 anni.
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