Patologie degli organelli cellulari, Dispense di Patologia

Scarica Patologie degli organelli cellulari e più Dispense in PDF di Patologia solo su Docsity! 1 Patologie degli organelli cellulari Rimanendo sempre nel contesto della patologia cellulare, parliamo di patologie degli organelli cellulari: - Patologie lisosomiali - Patologie mitocondriali 1. Patologie dei lisosomi E’ un gruppo di patologie che si divide in: - Patologie genetiche lisosomiali → abbiamo già parlato delle patologie da accumulo lisosomiale, che appartengono alle tesaurismosi metaboliche. - Patologie lisosomiali acquisite → sono causate da deficit acquisiti dell’attività degli enzimi lisosomiali. 1.1 Deficit lisosomiale acquisito Il deficit acquisito lisosomiale può essere causato da: ● inibizione degli enzimi lisosomiali prodotta dall’azione di farmaci : - Ad esempio antibiotici come la kanamicina e streptomicina quando sono somministrati ad alti dosaggi. - Ad esempio l’ intossicazione da clorochina : è un farmaco usato come antimalarico; è presente anche nel cocktail dei farmaci usati contro l’HIV. la clorochina causa un’inibizione dell'attività lisosomiale. E’ quindi una patologia di accumulo lisosomiale di metaboliti all’interno dei lisosomi in quanto la clorochina è un composto elettricamente neutro, capace di attraversare la membrana lisosomiale. Nei lisosomi, però, acquisisce carica elettrica e non è più in grado di fuoriuscire da questi. Dunque, si accumula all’interno di essi modificando il pH lisosomiale. Quindi, porta ad una inattivazione funzionale degli enzimi lisosomiali. Questo fenomeno causa fenotipi come quello in figura. E’ il caso di una miopatia da clorochina: si vedono le fibre muscolari dissociate dalla presenza di formazioni dotate di membrana, che sono appunto i lisosomi, completamente infarciti di quelle che sono chiamate “figure mieliniche” verosimilmente; sono infarciti da fosfolipidi da degradare. ● i lisosomi devono degradare substrati indigeribili : 2 - Ad esempio, i metalli pesanti o molecole formate da lipidi che formano complessi con molecole ad attività farmacologica. I complessi “ lipidi-farmaco ” si accumulano all’interno dei lisosomi e diventano indigeribili - Lipofuscine : sono un esempio di lipidi complessati e modificati (in genere si tratta di lipidi ossidati o addotti lipidi-proteine) che si accumulano nei lisosomi sotto forma di corpi residui. In particolare, ciò avviene durante la senescenza. Gli accumuli di lipofuscine si trovano a livello dei neuroni, ma anche a livello cutaneo (fibroblasti dermici); Ciò determina le “macchie della senescenza” sulla cute degli anziani. ● esiste un sovraccarico di metaboliti (proteine) da catabolizzare da parte dei lisosomi: - Ciò avviene tipicamente a livello dei tubuli renali, dove si verifica il quadro fenotipico osservabile in microscopia ottica chiamato “ialinosi” o “degenerazione gocce ialine”. Le cellule tubulari si riempiono di gocce con un contenuto ialino di tipo proteico. Questo è l’esito di un ingolfamento funzionale dei lisosomi da parte di proteine, che sono assorbite in eccesso dal tubulo. Ciò si verifica a livello renale in caso di glomerulonefrite : è una infiammaziona a livello glomerulare con alterazione della sua funzionalità. Fa sì che le proteine siano filtrate più del normale. Le proteine in eccesso finiscono a livello dell’ultrafiltrato e quindi, a livello tubulare, vengono riassorbite, ma vanno ad ingolfare l’attività catabolica dei lisosomi. - La degenerazione in gocce ialine la si ha anche in caso di emolisi . Quando si ha un eccesso di lisi degli eritrociti in circolo (lo vedremo quando parleremo di anemie emolitiche), l’emolisi porta alla liberazione in circolo di tanta Hb. Essa viene filtrata a livello glomerulare e poi è riassorbita a livello tubulare, causando ingolfamento. 5 In figura a si vede come al microscopio elettronico i mitocondri appaiono opachi, hanno struttura allungata e si vedono le creste. In figura b si vede come durante il rigonfiamento torbido il mitocondrio risulta rigonfio, tondeggiante, meno elettroni opachi e con una struttura delle creste piuttosto disordinata. 2.3 Patologie mitocondriali genetiche Appartengono a questo gruppo tutte quelle disfunzioni mitocondriali che sono dovute a mutazioni genetiche a carico delle proteine strutturali o funzionali dei mitocondri. Sono patologie abbastanza rare: incidenza di 1:5000 nati. - Mutazioni a carico dei geni che codificano per le subunità della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa ; causano fenotipicamente quadri di encefalomiopatie. Sono le più frequenti. - Mutazioni su proteine coinvolte nel delivery dei substrati ai mitocondri. E sistono miopatie dovute a mutazioni genetiche della carnitina palmitoil transferasi, che impediscono a livello muscolare scheletrico il trasporto degli acidi grassi nella matrice mitocondriale per la beta ossidazione → deficit funzionale muscolare e quadro di steatosi muscolare (perché gli acidi grassi si accumulano nel citoplasma). - Deficit di enzimi coinvolti nell'ossidazione dei substrati. Ad esempio, il deficit di piruvato deidrogenasi o il deficit degli enzimi della beta ossidazione mitocondriale. - Deficit o mutazioni degli enzimi del ciclo di Krebs . Sono difetti molto rari e incompatibili con la vita. - Mutazioni di proteine strutturali a livello mitocondriale, che hanno effetti funzionali sul mitocondrio. Ad esempio, la mutazione della proteina frataxina , che è una proteina strutturale mitocondriale che ha un ruolo nel delivery del ferro a livello dei mitocondri. Il ferro a livello mitocondriale è importante perché entra nella struttura dei citocromi, che sono coinvolti nella catena respiratoria. 6 La frataxina mutata impedisce il trasporto della catena e ha effetti molto gravi, dando origine ad una malattia neurologica a trasmissione autosomica recessiva: atassia di Friedreich. 2.4 Patologie mitocondriali genetiche dovute a mutazioni a carico del DNA nucleare e mitocondriale Per parlare delle patologie genetiche, si deve dire che queste patologie possono essere il risultato di mutazioni a livello del DNA nucleare (nDNA) o mutazioni a livello del DNA mitocondriale (mtDNA). 2.4. 1 mutazioni a carico di geni del DNA mitocondriale Il DNA mitocondriale codifica per proteine e fattori mitocondriali → rappresentano il 10-15% di tutte le malattie mitocondriali. Perché la percentuale di patologie legate al mtDNA è così ridotta? Si devono fare 2 osservazioni: 1. Osservando la composizione in subunità proteiche dei complessi della catena respiratoria, si vede che la maggioranza delle subunità dei complessi sono sintetizzati da geni nucleari (barra blu in basso). Il complesso I, per esempio, è costituito da 39 subunità di sintesi nucleare e 7 di sintesi mitocondriale (barra rossa in basso).Il complesso II è composto solo da subunità di sintesi nucleare. Il complesso III da 1 mitocondriale e 10 nucleare. Il complesso IV da 3 mitocondriale e 10 nucleare. Il complesso V da 2 mitocondriale e 14 nucleare. 2. Inoltre, l’altra osservazione riguarda le caratteristiche del genoma mitocondriale e soprattutto le caratteristiche della genetica mitocondriale (cioè del meccanismo attraverso cui i geni mitocondriali sono trasmessi alla progenie). Caratteristiche del genoma mitocondriale: a) Il genoma mitocondriale ha delle caratteristiche che somigliano molto al DNA batterico: il mtDNA ha una struttura circolare ed è completamente privo di introni. Il mtDNA è un DNA a doppio filamento circolare di 16 K basi; è composto nel totale da 37 geni. Di questi 37 geni, 24 codificano per tRNA mitocondriali (sono indicati in 7 azzurro sul cerchio) e per rRNA mitocondriale (12S e 16S). I rimanenti 13 codificano per subunità dei complessi della catena respiratoria (sono indicati in rosso sul cerchio). b) In ogni cellula sono presenti migliaia di mitocondri ed ogni mitocondrio contiene a livello della matrice circa 10 molecole di DNA circolare; ma nella matrice c’è una maggior contatto con i ROS, prodotti dalla catena di trasporto degli elettroni. Abbiamo detto che il mtDNA non ha introni. Dato che è nella matrice e dato che non ha introni, il mtDNA è ipermutabile : ogni evento mutazionale prodotto dai ROS colpisce le sequenze codificanti del mtDNA. Caratteristiche della genetica mitocondriale: a) Eredità materna: tutti i mitocondri dello zigote (cioè che derivano dalla fusione dello spermatozoo e ovulo) derivano dall’ovulo.Questo significa che il mtDNA nello zigote è solo di derivazione materna. Quindi una madre portatrice di mutazione a livello del mtDNA, trasmetterà la mutazione tutti i suoi figli (maschi e femmine), ma solo le figlie femmine trasmetteranno la mutazione alla progenie. b) Eteroplasmia: Dato che ogni cellula contiene migliaia di mitocondri e ogni mitocondrio ha diverse molecole circolari di mtDNA, significa che 1 cellula può contenere sia mtDNA wild type che mtDNA mutato: si parla di eteroplasmia cellulare. E uno stesso mitocondrio può contenere sia mtDNa wild type che mutato; si parla anche di eteroplasmia organulare. I pazienti wild type sono i pazienti in cui tutte le molecole di mtDNA sono identiche e sono wild type (soggetti omoplasmici). Affinché si manifesti una disfunzione mitocondriale, e quindi legata ad una mutazione mitocondriale, è necessario che in una cellula ci sia uno specifico rapporto tra mtDNA mutato / mtDNA wild type ; questo rapporto costituisce l’effetto soglia. Solo quando il rapporto di mtDNA mutato / mtDNA wild type va sotto un certo valore, compaiono le disfunzioni ossidative mitocondriali. Questo valore soglia è diverso nei diversi tipi cellulari: se la cellula ha maggior richiesta energetica, si avrà una soglia più bassa; ad esempio, la soglia è molto bassa a livello dei neuroni, muscoli, miocardio, retina.. sono i tessuti che sono più colpiti da un punto di vista funzionale dalle mutazioni al mtDNA (la 10 - Poi ci sono le patologie dovute a mutazione dei geni che codificano per le subunità dei complessi respiratori: si manifestano a livello neurologico con atassia, degenerazione / alterazione del SNP (neuropatia periferica) oppure cecità, retinopatie e atrofie del nervo ottico (Cecità a livello bilaterale). 2.5.1 Patologie dovute a mutazione dei geni che codificano per le subunità dei complessi respiratori Il complesso I della catena respiratoria è quello più sottoposto a eventi mutazionali a carico delle subunità codificate dal DNA mitocondriale. ⅓ delle malattie mitocondriali di tipo genetico sono dovute a mutazioni delle subunità del complesso I. Questo mutazioni possono dare origina a quadri clinici di genere miopatico, encefalomiopatico (interessare sia SNC che muscolo) oppure a manifestazioni cliniche come sindromi multisistemiche di tipo pediatrico. ● Sindrome di Leigh Tra le patologie più frequenti di tipo mitocondriale che alterano il funzionamento del complesso I della catena respiratoria abbiamo la sindrome di Leigh. E’ un esempio di fenocopia. E’ una patologie in cui i soggetti presentano sempre le stesse manifestazioni cliniche pur avendo tipi di mutazioni responsabili dell’alterazione del complesso di tipo I diverse. Ci sono circa 12 diverse mutazioni. Nell’80% dei pazienti questa mutazione colpisce i geni del DNA nucleare. Nel 20% dei casi i geni del DNA mitocondriale. I geni colpiti sono quelli che codificano per subunità del complesso I della catena respiratoria ma anche del complessi Iv, raramente del II. E’ una malattia pediatrica di tipo neurologico caratterizzata da una progressiva perdita di capacità psichica e motoria. E’ una encefalomiopatia pediatrica. ● LHON (Leber’s hereditary optic neuropathy) Un'altra patologia di questo genere è la neuropatia ottica ereditaria di Leber. Questa patologia, dovuta a mutazioni a carico della comunità del complesso I della catena respiratoria, fenotipicamente si manifesta con cecità bilaterale dovuta ad una progressiva atrofia (alterazione funzionale) del nervo ottico. La sintomatologia compare più tardivamente rispetto alla sindrome di Leigh. Compare infatti nei soggetti giovani adulti, con un rapporto tra maschi e femmine di 4:1 (molto sbilanciato sui maschi). 11 2.5.2 Mutazioni somatiche del DNA mitocondriale Appartenenti alla categoria delle patologie causate da mutazioni del DNA mitocondriale, ci sono anche le mutazioni che compaiono a livello somatico (nelle cellule somatiche). Sono responsabili anche della comparsa di patologie dovute ad alterata efficienza della funzione mitocondriale in soggetti che non hanno mutazioni germline a livello del DNA mitocondriale. Perchè sono così frequenti le mutazioni del DNA mitocondriale a livello delle cellule somatiche? Il DNA mitocondriale è ipermutabile in quanto manca di introni ed è localizzato a livello della matrice mitocondriale dove si trova a contatto con i ROS prodotti dal metabolismo mitocondriale. La suscettibilità alle mutazioni somatiche del DNA mitocondriale è particolarmente importante durante la senescenza. Infatti, durante la senescenza, si assiste ad un progressivo accumulo di mutazioni somatiche del DNA mitocondriale prevalentemente nelle cellule dei tessuti post mitotici (le cellule post mitotiche sono neuroni e cellule muscolari). Qui infatti non c’è rinnovamento, i neuroni, ad esempio, sono cellule perenni, quindi l’unica via di ringiovanimento e rinnovamento della cellula è la via autofagica. Infatti, nelle cellule somatiche dei soggetti senescenti a livello del tessuto muscolare e nervoso, è spesso presente e si accumula la cosiddetta “delezione comune” di 5 Kb a carico del DNA mitocondriale. Perché accade questo? Le mutazioni somatiche sono particolarmente presenti durante la senescenza fisiologica in quanto i ROS prodotti fisiologicamente durante la respirazione cellulare, in particolare a livello del complesso II, determinano, con il tempo soprattutto nelle cellule postmitotiche, si ha un progressivo quarto di lipoperossidazione delle membrane mitocondriali. Questa lipoperossidazione colpisce soprattutto le creste mitocondriali che riduce progressivamente l’efficienza della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa*. *la fosforilazione ossidativa in cui si accoppia: l'ossidazione dei coenzimi ridotti (svolta dalla catena respiratoria) alla fosforilazione di ADP ad ATP (svolta dalla attività della ATP sintasi → svolge sintesi di ATP). Si tratta dell’ultima fase della respirazione cellulare. La respirazione cellulare** è composta infatti da glicolisi + ciclo di krebs + fosforilazione ossidativa. **La respirazione cellulare è un lento processo di combustione nel quale i nutrienti, ridotti dalla digestione a componenti elementari come zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi, vengono demoliti in molecole ancora più semplici ottenendo energia disponibile alla cellula sotto forma di ATP. 12 La riduzione progressiva di funzionalità della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa amplifica la produzione di ROS che andranno a mutare il DNA mitocondriale che si trova nella matrice. Questo fa si che, quando l'efficienza respiratoria a livello mitocondriale, scende sotto un valore soglia e compaiono mutazioni al DNA mitocondriale (che determinano un superamento di un valore soglia di efficienza respiratoria dei mitocondri), compariranno, nei soggetti senescenti, patologie classiche della senescenza quali sordità, cecità, tremore, atassia. Sono tutte patologie che accomunano il soggetto anziano al paziente, molto più giovane, affetto da una patologia genetica mitocondriale. Quindi, quello che succede è che nei pazienti che hanno una mutazione germline al DNA mitocondriale, la soglia di efficienza mitocondriale, che viene superata nei soggetti normali i tarda età, è superata ml.to prima. Le tipiche manifestazioni patologiche della senescenza compaiono in giovani adulti o addirittura in età pediatrica. Le dimostrazione di questo deriva dal fatto che nelle malattie neurodegenerative tipiche della senescenza (alzheimer e Parkinson) si accumulano mutazioni somatiche al DNA mitocondriale con una frequenza molto maggiore rispetto ai soggetti senescenti normali. Ad esempio, le delezione comune di 5 Kb nel DNA mitocondriale, è presente con una frequenza del 15% in più nei pazienti che hanno l'Alzheimer rispetto ai pazienti senescenti normali. 2.5.3 Patologie mitocondriali dovute a mutazioni del DNA nucleare (patologie a trasmissione mendeliana) Sono dovute a mutazioni del DNA nucleare e non mitocondriale. Hanno caratteristiche di trasmissione tipicamente mendeliane. Questo è dovuto al fatto che le subunità dei complessi respiratori sono sintetizzate da geni nucleari. In particolare sono patologie dovute a mutazioni del complesso I e II, codificate prevalentemente da geni nucleari. Quindi, possiamo avere mutazioni a carico di questi geni o di proteine ancillari della catena respiratoria, di sintesi nucleare. Le proteina ancillari sono proteine che servono per assemblare i cofattori all’interno dei complessi respiratori, in particolare all'interno del complesso III e IV. Per esempio servono per assemblare i citocromi nei vari complessi respiratori. Possiamo avere mutazioni nei geni codificanti proteine strutturali dei mitocondri come ad esempio la fratassina. La fratassina infatti è una proteina di sintesi nucleare. Possiamo aver mutazioni a carico di proteine che entrano a far parte del signaling intergenomico che è importante per la replicazione del DNA mitocondriale e per garantirne l'integrità.