Malattie Mitocondriali

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    26-Jul-2015
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1. INTRODUZIONE1.1 I mitocondri e la cellula La cellula eucariotica si differenziata da quella procariotica mediante diverse tappe che si sono susseguite nell evoluzione. Le principali differenze tra i due tipi cellulari consistono in una maggior quantit di materiale genetico legato a proteine istoniche e non istoniche, un sistema di membrane intracellulari per compartimentalizzare i processi metabolici, la presenza di una doppia membrana che separa il nucleo dal citoplasma, un metabolismo prevalentemente aerobio. Il passaggio dal metabolismo anaerobio a quello aerobio si avuto in seguito ad una associazione endosimbiontica stabile delle cellule procariotiche con batteri fotosintetici o aerobi che hanno originato i cloroplasti e i mitocondri degli eucarioti moderni. Questo evento si verific circa 1.5x109 anni fa in seguito al sostanziale aumento dell ossigeno nell atmosfera che determin un vantaggio selettivo per gli organismi in grado di sfruttare il metabolismo aerobio, energeticamente pi vantaggioso. La cosiddetta teoria endosimbiontica seriale avvalorata dalla presenza all interno di questi organelli di un genoma proprio, di ribosomi ed enzimi necessari alla sintesi proteica strutturalmente differenti da quelli cellulari ma pi simili a quelli batterici. Nonostante queste caratteristiche peculiari tali organuli sono semiautonomi poich non contengono i geni necessari a codificare tutte le loro proteine per le quali dipendono dal nucleo, probabilmente a causa del trasferimento di geni dal progenitore primitivo all eucariote ospite nel corso dell evoluzione. Inoltre a differenza di altre strutture membranose della cellula si riproducono unicamente in seguito a divisione di un mitocondrio preesistente (Margulis, 1992; Fenchel and Finlay, 1994). I mitocondri sono localizzati nel citoplasma delle cellule eucariotiche aerobiche e presentano forma, numero e posizione variabili a seconda delle richieste energetiche di ciascun tipo cellulare o del tessuto. Dal punto di vista strutturale sono delimitati da un sistema di doppie membrane con funzionalit diverse costituito da una membrana esterna ed una membrana interna, che racchiude la matrice, separate tra loro da uno spazio intermembrana. La membrana esterna circonda completamente il mitocondrio e presenta una superficie liscia. Questa membrana permeabile a tutte le molecole di dimensioni inferiori a 5000 KDa grazie alla presenza di pori aspecifici, formati da una proteina chiamata porina, che le conferiscono scarsa selettivit. La membrana interna racchiude il compartimento interno del mitocondrio, che contiene la matrice, e si presenta ripiegata in creste che ne aumentano notevolmente la superficie. Questa membrana altamente selettiva grazie alla presenza di trasportatori specifici. Inoltre, sede degli enzimi deputati al trasporto degli elettroni nel processo di fosforilazione ossidativa (OXPHOS) che costituiscono la catena respiratoria. La matrice una soluzione acquosa molto concentrata a consistenza quasi gelatinosa, che contiene numerosi enzimi ed intermedi metabolici, contenuta nel compartimento interno del mitocondrio. Una caratteristica peculiare dei mitocondri il comportamento dinamico, infatti, questi organuli possono muoversi all interno del citoplasma lungo i microtubuli del citoscheletro in seguito a fenomeni di fissione e fusione, principali responsabili della morfologia mitocondriale. Il primo protagonista identificato nel fenomeno della fusione mitocondriale la GTPasi Fzo1p (fuzzy onions gene 1p) (Hales and Fuller, 1997; Hermann et al., 1998). Negli ultimi anni sono state identificate altre GTPasi necessarie per la fusione: due Mitofusine (Mfn1 e Mfn2), localizzate sulla membrana mitocondriale esterna, e le proteine OPA1, OPA2 e OPA3, mutate nell atrofia ottica autosomica dominante, patologia caratterizzata dalla degenerazione del nervo ottico (Zhang and Chan, 2007). La fissione il processo opposto alla fusione e richiede anch esso l intervento di GTPasi come le

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proteine Dnm1p (dinamin-related protein) (Smirnova et al., 2001) che utilizzano l idrolisi del GTP per guidare la scissione del mitocondrio (Praefcke and McMahon, 2004; Chan, 2006).

1.2 Funzioni dei mitocondri: la fosforilazione ossidativa I mitocondri presentano un ruolo centrale nel metabolismo cellulare in quanto sono sede di numerosi processi, quali: la biosintesi delle pirimidine, degli amminoacidi, dei fosfolipidi, dell eme, e di alcune reazioni del ciclo dell urea; l ossidazione del piruvato, degli acidi grassi, dello scheletro carbonioso degli amminoacidi e del ciclo di Krebs; la respirazione cellulare. La completa ossidazione dei combustibili metabolici (glicidi e acidi grassi) e il ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) determinano la produzione di energia metabolica sotto forma di molecole di nicotinamide adenin dinucleotide ridotto (NADH) e flavin adenin dinucleotide ridotto (FADH2). I mitocondri, anche definiti centrali energetiche della cellula , sono in grado di trasformare questa energia metabolica in energia utilizzabile dalla cellula sotto forma di molecole di adenosina 5' trifosfato (ATP) mediante il processo di fosforilazione ossidativa. Questo processo si avvale di un sistema di proteine che costituiscono la catena respiratoria, integrato nella membrana mitocondriale interna, che accettano gli elettroni come equivalenti riducenti e li trasportano fino all ossigeno molecolare riducendolo ad H2O. Il passaggio degli elettroni attraverso i primi quattro complessi respiratori rilascia energia sotto forma di gradiente protonico che viene utilizzato dall ultimo complesso per sintetizzare ATP (Fig. 1).

Fig.1 Rappresentazione schematica della modalit di sintesi dell ATP all interno dei mitocondri. L ossidazione del glucosio durante la glicolisi e l ossidazione dell AcetilCoA, derivante dalla decarbossilazione del piruvato e dall ossidazione degli acidi grassi, nel TCA producono equivalenti riducenti sotto forma di NADH e FADH2. Tale energia metabolica utilizzata dai primi quattro complessi della catena respiratoria per pompare protoni nella matrice mitocondriale. L inversione del flusso protonico viene sfruttata dal Complesso V per sintetizzare ATP.

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La catena respiratoria costituita da cinque complessi proteici multimerici e da due trasportatori di elettroni: l ubichinone e il citocromo c. Le subunit di ciascun complesso sono codificate in parte dal genoma mitocondriale ed in parte da quello nucleare, ad esclusione del Complesso II ad esclusiva codifica nucleare (Fig. 2).Fig. 2 Subunit mitocondriali nei complessi respiratori. A) I cinque complessi della catena respiratoria. Le subunit colorate sono quelle codificate dal genoma mitocondriale: blu per il Complesso I, verde per il complesso III, rosso per il Complesso IV, giallo per il complesso V. Pi: fosfato inorganico; Cytc: citocromo c; CoQ: coenzima Q. B) Mappa del genoma mitocondriale. I geni per le subunit mitocondriali della catena respiratoria sono rappresentati con una colorazione corrispondente a quella della subunit codificata rappresentata in alto.

A)

B)

Il Complesso I o NADH:ubichinone-ossidoreduttasi costituito da sette subunit codificate dal genoma mitocondriale (ND1, ND2, ND3, ND4, ND5, ND6, ND4L), almeno trentotto a codifica nucleare, una flavoproteina contenente flavin mononucleotide (FMN), e sei centri ferro-zolfo. Questo complesso utilizza l NADH per ridurre l ubichinone (Q) ad ubichinolo (QH2) e sfrutta l energia ottenuta dalla reazione per pompare protoni nello spazio intermembrana fungendo da pompa protonica. Gli elettroni fluiscono quindi dal NADH ad una flavoproteina e poi ad una serie di centri Fe-S ed infine al Q. I composti amytal (un barbiturico), rotenone (un prodotto vegetale utilizzato come insetticida), e la piericidina A ( un antibiotico) inibiscono il flusso degli elettroni dai centri Fe-S all ubichinone bloccando l intero processo della fosforilazione ossidativa. Il complesso II o Succinato deidrogenasi ancorato al versante interno della membrana mitocondriale interna ed costituito da almeno quattro subunit nucleari (SDH-A, SDH-B, SDH-C, SDH-D) e due differenti gruppi prostetici (FAD, Fe-S). Questo complesso un enzima FADdipendente e funziona da ponte tra la fosforilazione ossidativa e il TCA trasportando gli elettroni dal succinato, al FAD e poi attraverso i centri Fe-S, all ubichinone. Il complesso III o Ubichinone:citocromo c-ossidoreduttasi un dimero costituito da due monomeri identici ciascuno con undici diverse subunit delle quali solo una, l apocitocromo b (Citb), codificata dal genoma mitocondriale, inoltre contiene gruppi prostetici quali l eme e centri Fe-S. Questo complesso accoppia il trasferimento degli elettroni dall ubichinolo al citocromo, c al

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pompaggio di protoni nello spazio intermembrana. Il risultato finale prevede l ossidazione del QH2 a Q e la riduzione di due molecole di citocromo c, molecola solubile dello spazio intermembrana. Il citocromo c ridotto diffonde, attraverso lo spazio intermembrana, fino al complesso IV che accetta un elettrone a livello di un centro rameico binucleare del complesso. Il complesso IV o citocromo ossidasi un grosso complesso enzimatico costituito da 13 subunit di cui tre codificate dal genoma mitocondriale (COI, COII, COIII) oltre a gruppi prostetici come l eme, e centri rameici binucleari costituiti da due ioni rame complessati a gruppi SH di due residui di cisteina. Gli elettroni fluiscono attraverso i gruppi prostetici del complesso enzimatico fino all O2 che viene ridotto a due molecole di acqua (2H2O). L energia derivante dalla reazione red-ox viene sfruttata dal complesso per pompare altri protoni nello spazio intermembrana. La riduzione dell O2 coinvolge centri red-ox, che trasportano un elettrone per volta, con la conseguente formazione di intermedi ridotti incompleti dell O2, come il perossido di idrogeno e i radicali libe