Fondazione FONAMA	fonama@fonama.org	Tel. 335250742
	Traduzioni a cura di Natale Marzari Dopo 41 anni e 5 mesi, nel maggio 2006 la magistratura di Trento ha riconosciuto l'esistenza  e  la gravità di quella malattia rara che nessuna altra istituzione o persona singola della provincia di Trento ancora mi riconosce, e per negare la quale ancora mi perseguita.    Natale Marzari

Origine ed evoluzione dei mitocondri

La terra si è formata circa 4.500.000.000 di anni fa. L'atmosfera originale era riducente, conteneva (tra altri costituenti) azoto, metano, anidride carbonica, solfuro di idrogeno e vapore acqueo. Non c'era ossigeno libero, e così la fosforilazione ossidativa non era un'opzione per i primi organismi, per i quali era più funzionale un metabolismo fermentativo. La sintesi pre-biotica nei temporali e nelle emissioni vulcaniche si crede abbia lasciato un'eredità ricca dei metaboliti stabili più comuni, i quale sono stati utilizzati dai nostri antenati ancestrali.

I primi organismi viventi erano soggetti dall'inizio ad una pressione selettiva implacabile per i sistemi migliori di assorbimento del substrato. È immaginabile che i gradienti protonici trans-membranali siano stati usati originalmente per guidare l'assorbimento del substrato. La F1ATPasi può inizialmente compiere questa funzione importante, come il gradiente del sodio e la  Na/K-Atpasi lo è ancora oggi. La pressione selettiva favorirebbe la pompa ioni più efficiente, membrane a perfetta tenuta e gradienti costantemente aumentanti per raschiare i metaboliti restanti da un ambiente esaurito.

L'importanza dell'assorbimento del substrato è che persino i miglioramenti marginali rendono un vantaggio selettivo immediato. In questa situazione lo sviluppo "della fotosintesi" più iniziale non compare un punto eccessivamente difficile, serve inizialmente a completare i gradienti preesistenti dello ione da un gruppo di alimentazione libero ampiamente disponibile.

I primi organismi fotosintetici non potevano produrre l'ossigeno dall'acqua, ed hanno contato preferibilmente su una varietà di donatori più facili di elettroni quali il solfuro dell'idrogeno ed il ferro ferroso. Hanno titolato la crosta terrestre, esaurendo un riduttore dopo l'altro, sottoposti sempre dalla pressione costante a maneggiare ossidanti più forti e gradienti più grandi. È probabile che il trasporto fotosintetico dell'elettrone ed il sistema di trasporto dell'elettrone ossidativo siano evoluti insieme, iniziando in ogni caso dalle estremità più altamente riduttiva delle loro rispettive catene di trasporto dell'elettrone.

La  transidrogenasi può essere la parte più antica della catena respiratoria, capace di eccitare la membrana esterna in un batterio fermentativo primitivo molto prima che l'ossigeno fosse del tutto presente nell'atmosfera terrestre. Gli altri componenti della catena respiratoria sono stati probabilmente aggiunti in sequenza, come ossidanti più efficienti si sono trasformati  lentamente in centinaia di milioni di anni con le attività fotosintetiche dei cianobatteri e, molto più successivamente, le piante verdi. Nel frattempo la pressione di selezione è continuata per le più grandi e più grandi gradienti ionici. E finalmente il gradiente pH trans-membranale era sufficiente per forzare all'indietro la F1ATPase indietro (nel relativo senso fisiologico moderno) e la fotosintesi moderna e la fosforilazione ossidativa sono diventate possibili.

Tutto l'ossigeno gassoso nell'atmosfera attuale si crede possa avere un'origine biologica, e la maggior parte è stato formato in un periodo fra 3.000.000.000 e 1.000.000.000 anno fa, come conseguenza della fotosintesi dei cianobatteri e delle prime piante verdi. Il trasporto dell'elettrone è stata un'invenzione  procariotica, ed i relativi professionisti devono avere avuto un vantaggio selettivo tremendo dalla sintesi efficiente dell'ATP. Inoltre, la concentrazione atmosferica aumentanta di ossigeno altamente tossico e reattivo era una minaccia seria ai nostri antenati eucariotici. Anche oggi, malgrado lo sviluppo degli antiossidanti efficaci, la maggior parte dei nostri tessuti effettuano il loro tenore in ossigeno intracellulare nella gamma micromolare, 1000 volte sotto il valore della circolazione sanguigna.

Gli eucarioti primitivi, tuttavia, avevano evoluto una tecnica che nessun procariote potrebbe effettuare: erano sufficiente grandi e flessibili da inghiottire altri organismi interi, e probabilmente digerirli per alimento. Quanto di più efficiente, allora, perché mantenere alcuni batteri aerobici come ospiti, fornendo loro i substrati in cambio di un rifornimento infinito dell'ATP? I portatori batterici originali dello ione potrebbero continuare a funzionare, e una singola mutazione della cellula ospite ha potuto essere sufficiente per infilare un elemento portante del nucleotide dell'adenina nella parete batterica delle cellule.

I mitocondri si pensa si siano evoluti 2000 milioni di anni fa dai batteri primitivi ed hanno goduto così di un rapporto simbiotico con le prime cellule eucariote.

Deve essere stato difficile inizialmente sincronizzare le attività dei due genomi, ed ha seguito un trasferimento graduale delle funzioni genetiche mitocondriali nel nucleo eucariotico delle cellule, dove sono stati meglio integrati con gli altri comandi cellulari. Questo processo si è variamente esteso in specie diverse, in modo che il lievito ed i mitocondri mammiferi differiscano da un po' nelle funzioni che hanno mantenuto.

I mitocondri mostrano ancora alcuni segni della loro origine antica. I ribosomi mitocondriali sono di tipo (batterico) 70S, contrariamente a 80S dei ribosomi che si ritrovano altrove nella cellula. Come nei procarioti c'è una proporzione molto elevata di DNA di codificazione, e un'assenza delle ripetizioni. I geni mitocondriali sono trascritti come trascrizioni multigeniche che sono divise e poliadenilate per maturare gli mRNA. Diverso dai loro cugini nucleari, i geni mitocondriali sono piccoli, generalmente difettano degli introni, ed i cromosomi sono circolari, adeguatamente al modello batterico.

Oltre che i ribosomi ed il RNA mitocondriali di trasferimento, la piccola quantità di DNA mitocondriale codifica per soltanto 13 polipeptidi negli esseri umani. Questi sono principalmente i nuclei idrofobi delle principali pompe trans-membraniche dei protoni, i quali sono appiccicosi ed insolubili e difficili da muoversi intorno  e dentro la cellula. Tutti i geni mitocondriali restanti hanno migrato nel nucleo, e le centinaia di altre proteine mitocondriali ora sono importate dal citosol.

Eredità materna: La vasta maggioranza dei mitocondri in un uovo fertilizzato deriva dalle centinaia delle migliaia dei mitocondri nel grande uovo materno piuttosto che dal piccolo numero nello sperma molto piccolo. Di conseguenza la maggior parte delle caratteristiche mitocondriali sembrano essere trasmesse esclusivamente attraverso la linea materna.

Tuttavia, ci sono difficoltà evidenti con questa ipotesi. Se la trasmissione materna fosse l'unico meccanismo, non ci sarebbe alcun dispositivo all'interno di ogni cellula per eliminare i difetti e sincronizzare le copie multiple del DNA mitocondriale e in un tempo relativamente breve ci sarebbero migliaia di varianti mitocondriali. Questi non sono osservati in pratica, malgrado il fatto che il DNA mitocondriale sia protetto meno bene del DNA nucleare e la replica mitocondriale del DNA difetta di alcuni dei sistemi di rilevazione di errori impiegati nel nucleo delle cellule. L'eredità del Singolo-genitore inoltre nega ad una specie i vantaggi evolutivi della ricombinazione e della riproduzione sessuale.

I micrografi elettronici indicano che lo sperma contiene due tipi di mitocondri: la grande struttura a spirale che fornisce l'alimentazione per i movimenti flagellari, e due più piccoli, mitocondri meno specializzati impaccati vicino al pronucleo maschio con il DNA paterno. Qualunque sia la funzione di questa disposizione curiosa, i relativi effetti non sono apparentemente manifesti nella generazione immediatamente successiva.

Eva mitocondriale: Ammettendo un'eredità in gran parte materna, l'analisi di DNA mitocondriale umano è costante con l'ipotesi che l'intera razza umana moderna è discesa da una singola femmina o da un gruppo di sorelle strettamente collegate, che sono vissute in Africa circa 200.000 anni fa.

Ci sono numerosi obiettori a questa ipotesi, tuttavia la variabilità limitata del nostro DNA nucleare suggerisce inoltre che i nostri antenati solo recentemente sono passati attraverso "un ingorgo evolutivo" con un numero molto piccolo di superstiti. La nostra presenza sul pianeta sembra essere stata una corsa ad ostacoli.