Biologia Mitocondriale

Biologia Mitocondriale e Metodo BioNeF

La biologia Mitocondriale studia tutti i meccanismi genetici e biochimici alla base del funzionamento dei mitocondri e del suo ruolo fisiopatologico all'interno delle cellule. I mitocondri sono organelli cellulari delimitati da due membrane separate da uno spazio intermembrana capaci di svolgere diverse funzioni tra cui la produzione di adenosinatrifosfato (ATP) attraverso un processo di trasduzione di energia a partire da substrati energetici (zuccheri, grassi e proteine). L'ATP è fondamentale per la cellula in quanto rappresenta la molecola energetica prontamente utilizzabile per le miriadi di reazioni biochimiche da cui dipende la vita e per la quale è necessario una grossa quantità di energia. Un uomo di 70 kg brucia nelle 24 ore circa 80 kg di ATP che viene continuamente riciclato a partire da ADP+Pi attraverso un complicato meccanismo mitocondriale denominato fosforilazione ossidativa (1). La fosforilazione ossidativa funziona grazie ad una serie di reazioni biochimiche che strappano energia ai diversi substrati ossidandoli cioè sottrendoli elettroni (equivalenti riducenti) che vengono ceduti a molecole trasportatrici di elettroni (NADH e FADH) che a loro volta servono per incanalare gli elettroni nella catena respiratoria mitocondriale. La catena respiratoria è un sistema di 4 complessi proteici (Complesso I, Complesso II, Complesso III, Complesso IV) che trasferiscono gli elettroni sottratti ai substarti energetici all'ossigeno accettore finale liberando acqua. Le molecole trasportatrici di elettroni (NADH e FADH) hanno un potenziale elettrico più elettronegativo rispetto all'ossigeno (in parole povere contengono più energia potenziale); durante il trasferimento di elettroni da un complesso ad un altro si ha quindi una caduta di potenziale elettrico con liberazione di energia libera che attiva i complessi I, III e IV che a questo punto sono in grado di pompare protoni (H+) dall'interno della membrana interna verso lo spazio intermembrana creando un gradiente elettrochimico (gradiente protonico) tra l'esterno e l'interno della membrana interna dei mitocondri; il gradiente protonico rappresenta la forza motrice capace di attivare il quinto complesso della catena respiratoria mitocondriale (ATP sintasi) che catalizza la sintesi di ATP a partire da ADP+Pi.

Figura 1 (From: Transcriptional Paradigms in Mammalian Mitochondrial Biogenesis and Function Richard C. Scarpulla. Physiological Reviews Published 1 April 2008 Vol. 88 no. 2, 611-638.)

Summary of protein subunits of the five respiratory chain complexes encoded by nuclear and mitochondrial genes. Depicted is a schematic of the five respiratory complexes (I–V) embedded in the lipid bilayer of the inner mitochondrial membrane. Dissociable electron carriers cytochrome c (Cyt c) and coenzyme Q (Q) are also shown. Arrows (green) show the pathway of electrons from the various electron donors. Broken arrows (blue) show the sites of proton pumping from the matrix side to the cytosolic side by complexes I, III, and IV. The red arrow shows the flow of protons through complex V from the cytosolic side to the matrix coupled to the synthesis of ATP. Indicated above each complex are the number of protein subunits encoded by nuclear (nDNA) and mitochondrial (mtDNA) genomes.

Nei mitocondri sono localizzate anche altre vie biosintetiche di molecole importanti quali i lipidi, il colesterolo, i nucleotidi, il gruppo eme, gli ormoni steroidei, inoltre questi organelli svolgono un ruolo fondamentale nel metabolismo degli aminoacidi e nell'omeostasi degli ioni e regolano la morte cellulare programmata (Apoptosi). L'attività dei mitocondri nonché la sua biogenesi all'interno della cellula è regolato da un intricato meccanismo genetico; difetti in questo sistema possono creare seri problemi metabolici e determinare patologie sistemiche (Malattie mitocondriali propriamente dette) o metaboliche (sindrome metabolica, obesità, diabete, malattie cardiocircolatorie, invecchiamento). Comprendere i fini meccanismi che regolano il funzionamento mitocondriale e la sua biogenesi è di fondamentale importanza per comprendere la patogenicità di molte malattie a target mitocondriale e per aprire la strada a nuove opportunità preventive e terapeutiche.

Meccanismo genetico della biogenesi mitocondriale

(From MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND REDOX REGULATION. Claude A. Piantadosi, MD Professor of Medicine and Pathology Duke University Medical Center Durham, N.C. USA) (2)

La biogenesi mitocondriale è un processo genetico alquanto complesso in quanto i geni coinvolti sono distribuiti in due diversi genomi: nucleare e mitocondriale. Il genoma mitocondriale (presente all'interno dei mitocondri) fornisce 13 catene polipeptidiche che entrano tutte a far parte dei complessi della catena respiratoria mitocondriale, il genoma nucleare fornisce tutte le restanti proteine che nel complesso vanno a costituire un proteoma mitocondriale di circa 1100-1500 proteine. L'espressione dei geni mitocondriali è sotto il controllo di un network di fattori trascrizionali e cooregolatori capaci di legare il DNA su sequenze regolatrici. Diversi sono gli stimoli capaci di attivare l'espressione di questi geni: attività fisica, restrizione calorica, infiammazione, ipossia ed iperossia, stress ormonale, stress ossidativo, freddo. La modulazione del network genetico mitocondriale porta ad un attivazione della funzionalità mitocondriale, ad una rimodulazione della loro massa, ad un aumento del loro numero, ad un diversa loro localizzazione nelle aree cellulari necessarie determinando una aumento della loro capacità metabolica che si traduce in più ATP, aumento di calore, maggiore consumo di substrati energetici, nonché un aumento delle capacità difensive anti-radicaliche, anti-infiammatoire, anti-apoptotiche. È chiaro quindi che agire sulla biogenesi mitocondriale nonché sul suo funzionamento è una strategia vincente contro l'invecchiamento, l'obesità e patologie croniche. A livello cellulare sono diversi i fattori trascrizionali coinvolti nella biogenesi mitocondriale: i fattori AMPK, SIRT1, e CREB, le chinasi Ca++ dipendenti come CaMK II/IV, CaMKK e la Calcineurina A, p38gamma MAPK, i fattori coinvolti nella regolazione Redox NO/cGMP, Nrf2/HO-1/CO ed i fattori coinvolti nell'infiammazione come NF-kB e CREB. Il master gene della biogenesi mitocondriale è il coofattore PGC1-alpha; è definito il master gene in quanto coordina l'attivazione della biogenesi mitocondriale a partire da diversi stimoli.

Biogenesi Mitocondriale attivata da deficit energetico

In situazioni di un eccessiva richiesta di energia (attività fisica o restrizione calorica) la cellula attiva il suo assetto catabolico attivando la chinasi AMPK (Adenosinamonofosfato chinasi) la quale stimola diverse vie biochimiche come il trasporto del glucosio dall'esterno all'interno delle cellule, l'ossidazione degli acidi grassi, ed inibisce altre vie anaboliche come la sintesi di glicogeno e la lipogenesi (3). Come è possibile osservare in Fig. 2 una carenza energetica determina nelle cellule da una parte deplezione di ATP con aumento di ADP e AMP e dall'altra un aumento di NAD+ a discapito del NADH; i rapporti AMP/ATP ed NAD+/NADH rappresentano i sensori cellulari del benessere energetico; alti livelli di AMP (sinonimo di carenza energetica) attiva l'enzima AMPK, mentre alti livelli di NAD+ (sinonimo di carenza di equivalenti riducenti e quindi energia) attiva l'enzima SIRT1; la chinasi AMPK determina la forsforilazione del fattore PGC1-alpha mentre SIRT1 determina una sua deacetilazione; entrambe le modifiche post-traduzionali (fosforilazione e deacetilazione) attivano PGC1-alpha che è capace a questo punto di legarsi a diversi fattori trascrizionali come NRF1 e NRF2, ERRs, PPAR, THRs che in sinergia stimolano l'espressione di tutto il network genico mitocondriale che si traduce in una maggiore efficienza nella combustione dei grassi e termogenesi. Il fattore NRF1 (nuclear respiratory factor 1) controlla l'espressione di diverse proteine che entrano a far parte dei 5 complessi della catena respiratoria mitocondriale e di diverse proteine coinvolte nella traslocazione di proteine a codifica nucleare nel mitocondrio (import mitocondriale) e nella sintesi del gruppo eme (4). Il fattore NRF1 (Fig. 3) inoltre coordina l'espressione sia di geni nucleari che l'espressione dei geni mitocondriali grazie alla modulazione dei fattori TFAM (Trascription factor A mitochondrial) e TFBs (trascription factor B proteins) che sono i fattori regolatori sia della replicazione del DNA mitocondriale che della sua trascrizione (5). Il fattore NRF2 (Fig. 3) controlla l'espressione di geni che codificano per proteine del complesso IV della catena respiratoria mitocondriale (4). L'ERRs sono una serie di diversi ormoni nucleari (Estrogen-related receptors ERR-a, ERR-b, ERR-g) capaci di attivare la biogenesi mitocondriale e sono altamente espressi nei tessuti con un elevata richiesta di energia (6); sembra che gli ERRs il cui ligando attivante non è ancora stato individuato (vengono infatti definiti recettori nucleari orfani) regolano l'espressione di diversi geni coinvolti nella fosforilazione ossidativa, ossidazione degli acidi grassi, ciclo di krebs, e geni coinvolti nella fusione/fissione mitocondriale. I recettori nucleari PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) sono capaci di attivare l'ossidazione degli acidi grassi nonché la biogenesi mitocondriale. Il recettore PPAR-alpha viene attivato dagli acidi grassi a lunga catena ed ecosanoidi e promuove l'espressione di geni coinvolti nella beta-ossidazione degli acidi grassi (meccanismo con cui il mitocondrio brucia grassi) (7); il recettore PPAR-gamma invece promuove la biogenesi mitocondriale nel tessuto adiposo bianco e sembra essere coinvolto nei processo biochimico che induce il tessuto adiposo bruno a produrre calore a scapito degli acidi grassi (Termogenesi) (8); il recettore PPAR-delta nel tessuto muscolare è capace di attivare geni mitocondriali associati all'ossidazione degli acidi grassi ed è molto espresso nelle fibre lente a metabolismo aerobico (9-10). Gli ormoni tiroidei regolano il metabolismo energetico agendo direttamente su geni mitocondriali come le UCPs (Mitochondrial Uncoupling Proteins) coinvolti nella termogenesi del tessuto adiposo bruno durante l'adattamento al freddo (11) in altri casi indirettamente attraverso l'attivazione del fattore NRF-1 (12); è stata anche riscontrata una forma troncata di recettore tiroideo all'interno del mitocondrio ed è plausibile che serva a stimolare direttamente i geni del DNA mitocondriale (13)

Figura 3 (From: Scarpulla, R. Physiol Rev 2008;88:611-638)

Diagrammatic summary of the nuclear control of mitochondrial functions by NRF-1 and NRF-2 (GABP). NRFs contribute both directly and indirectly to the expression of many genes required for the maintenance and function of the mitochondrial respiratory apparatus. NRFs act on genes encoding cytochrome c, the majority of nuclear subunits of respiratory complexes I–V, and the rate-limiting heme biosynthetic enzyme 5-aminolevulinate synthase. In addition, NRFs promote the expression of key components of the mitochondrial transcription and translation machinery that are necessary for the production of respiratory subunits encoded by mtDNA. These include Tfam, TFB1M, and TFB2M as well as a number of mitochondrial ribosomal proteins and tRNA synthetases. Recent findings suggest that NRFs are also involved in the expression of key components of the protein import and assembly machinery.

Biogenesi Mitocondriale da adattamento termico (Esposizione al Freddo)

La temperatura basale nell'uomo è mantenuta relativamente costante in ambienti con temperature che variano da valori inferiori o superiori alla temperatura corporea. Ciò implica che, nonostante grandi variazioni di temperatura ambientale, la produzione di calore equilibra la perdita, con conseguente mantenimento della temperatura stabile.Quando la temperatura esterna si abbassa il nostro organismo reagisce aumentando la produzione di calore in modo da mantenere entro certi limiti ben precisi la sua temperatura interna. In primis si ha un attivazione del sistema nervoso simpatico che libera nel sangue noradrenalina; quest'ultima si lega ai recettori beta-adrenergici e attiva la combustione dei grassi a livello del tessuto adiposo bruno con liberazione di calore; un meccanismo analogo si ha anche nei muscoli. La produzione di calore dipende da un processo biochimico definito disaccoppiamento mitocondriale; in breve l'energia liberata dalla ossidazione dei grassi non produce ATP ma calore grazie ad una serie di proteine mitocondriali note come UCP (uncluping proteins). Il disaccoppiamento dei mitocondri è un meccanisimo finemente regolato in cui il gradiente protonico generate alla catena respiratoria mitocondriale viene dissipato dalle UCP con dissipazione di energia sotto forma di calore a discapito di substrati energetici come i grassi.

Dal punto di vista molecolare la noradrenalina o norepinefrina che si lega ai recettori Beta-adrenergici presenti in diversi tessuti (muscolare, adiposo bruno ecc.); I recettori beta-adrenergici attivati determinano un aumento di AMPc nella cellula che modula l'azione della chinasi PKA che a sua volta catalizza la fosforilazione e quindi l'attivazione di diverse proteine tra cui la CREB (cAMP response element-binding protein); la proteina CREB migra nel nucleo (14) e nel mitocondrio (15) ed è capace di attivare tutto il network genico della biogenesi mitocondriale. A livello nucleare il fattore CREB fosforilato infatti stimola l'espressione del coofattore PGC-1 alpha, dei fattori HSL-P e DII. Il coofattore PGC-1 alpha attiva tutto il network nucleare per la bionenesi mitocondriale e stimola la sintesi delle UCP, in particolare la UCP-1; il fattore HSL-P stimola la conversione dei Trigliceridi in acidi grassi liberi che forniscono l'energia necessaria alla produzione di calore; mentre il fattore DII stimola una maggiore sintesi di T3 (ormone tiroideo) che induce maggiormente una produzione di UCP-1 (Fig. 4).

Figura 4) From: Towards a molecular understanding of adaptive thermogenesis Bradford B. Lowell and Bruce M. Spiegelman Nature 404, 652-660(6 April 2000) doi:10.1038/35007527 (Beta-adrenergic-receptor (Beta-AR) agonists stimulate generation of cAMP, which in turn activates protein kinase A (PKA). PKA phosphorylates CREB, which leads to increased gene transcription. It is hypothesized that activated CREB directly induces expression of PGC-1 and the DII. PGC-1 co-activates transcription factors assembled on the UCP-1 enhancer, thus increasing UCP-1 gene expression. In addition, DII increases synthesis of triiodothyronine (T3), the ligand for the thyroid hormone receptor, further increasing UCP-1 gene expression. PKA also activates hormone-sensitive lipase (HSL), increasing the concentration of free fatty acids (FFAs) which in turn activate UCP-1 protein activity. PGC-1 also co-activates the transcription factor NRF-1, which leads to an increase in genes required for mitochondrial biogenesis, including NRF-1 and NRF-2. This results in marked stimulation of mitochondrial biogenesis. Abbreviations: RXR, retinoid X receptor; RAR, retinoic acid receptor; 9c-RA; 9-cis-retinoic acid; RA, retinoic acid; TG, triglyceride.

A livello mitocondriale il fattore CREB fosforilato è capace di attivare la sintesi delle proteine del DNA mitocondriale che entrano a far parte dei complessi della catena respiratoria mitocondriale (15). Il tutto di traduce in un rimodulazione genica degli adipociti che sono a questo punto capaci di ossidare grassi con produzione di calore che garantisce quindi un adattamento dell'organismo alle basse temperature.

Biogenesi Mitocondriale attivata dall'esercizio fisico

Durante l'esercizio fisico nelle fibre muscolari si ha una rimodulazione dell'espressione genica a breve e lungo termine; la contrazione muscolare determina il rilascio nel citoplasma di diversi trasduttori del segnale (Fig. 5). In particolare si ha liberazione del calcio dal reticolo sarcoplasmatico all'interno delle fibre muscolari. Il calcio lega una proteina citosolica denominata calmodolina normalmente inattiva a basse concentrazione di calcio; un aumento di calcio attiva la calmodolina che a catena attiva una serie di chinasi calmodulina dipendente capaci di fosforilare attivandolo il fattore PGC1-alpha con conseguente attivazione mitocondriale (16-17). Durante un esercizio fisico si ha ovviamente un deficit energetico con deplezione di ATP con aumento di ADP e AMP da una parte e dall'altra un aumento di NAD+ a discapito del NADH; i rapporti AMP/ATP ed NAD+/NADH rappresentano i sensori cellulari del benessere energetico; alti livelli di AMP (sinonimo di carenza energetica) attiva l'enzima AMPK, mentre alti livelli di NAD+ (sinonimo di carenza di equivalenti riducenti e quindi energia) attiva l'enzima SIRT1; la chinasi AMPK determina la forsforilazione del fattore PGC1-alpha mentre SIRT1 determina una sua deacetilazione; entrambe le modifiche post-traduzionali (fosforilazione e deacetilazione) attivano PGC1-alpha che è capace a questo punto di legarsi a diversi fattori trascrizionali come NRF1 e NRF2, ERRs, PPAR, THRs che in sinergia stimolano l'espressione di tutto il network genico mitocondriale che si traduce in una maggiore efficienza nella combustione dei grassi e termogenesi (vedi paragrafo Biogenesi Mitocondriale attivata da deficit energetico). L'esercizio fisico è capace anche di produrre durante una deplezione energetica e in situazione di ipossia seguita da iperossia i radicali liberi (Ros) anche essi trasduttori del segnale capaci di attivare la biogenesi mitocondriale attraverso il pattern dell'AMPK visto sopra (18).

Figura 5) From the following thesis: THE EFFECT OF DIFFERENT EXERCISE REGIMENS ON MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND PERFORMANCE by Niklas Psilander Department of PHYSIOLOGY AND PHARMACOLOGY, Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden.

Simplified overview of exercise induced signaling pathways that regulate PGC-1α expression and activity, as well as the subsequent PGC-1α induced mitochondrial biogenesis. ROS, reactive oxygen species; Cr, creatine; Pi, unbound phosphate group; AMP, adenosine monophosphate; p38, p38 mitogen-activated kinase; CaMK, calcium/calmodulin-dependent protein kinases; AMPK, AMP-activated protein kinase; PGC-1α, peroxisome proliferative–activated receptor-γ coactivator 1α; NRF, nuclear respiratory factors; Tfam, mitochondrial transcription factor A.

Figura 5) From the following thesis: THE EFFECT OF DIFFERENT EXERCISE REGIMENS ON MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND PERFORMANCE by Niklas Psilander Department of PHYSIOLOGY AND PHARMACOLOGY, Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden.

Simplified overview of exercise induced signaling pathways that regulate PGC-1α expression and activity, as well as the subsequent PGC-1α induced mitochondrial biogenesis. ROS, reactive oxygen species; Cr, creatine; Pi, unbound phosphate group; AMP, adenosine monophosphate; p38, p38 mitogen-activated kinase; CaMK, calcium/calmodulin-dependent protein kinases; AMPK, AMP-activated protein kinase; PGC-1α, peroxisome proliferative–activated receptor-γ coactivator 1α; NRF, nuclear respiratory factors; Tfam, mitochondrial transcription factor A.

Fig. 6 (From: MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND REDOX REGULATION. Claude A. Piantadosi, MD

Professor of Medicine and Pathology Duke University Medical Center Durham, N.C. USA

Referenze:

1) The oxidative phosphorylation system in mammalian mitochondria. Adv Exp Med Biol. 2012;942:3-37. Papa S, Martino PL, Capitanio G, Gaballo A, De Rasmo D, Signorile A, Petruzzella V.

2) MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND REDOX REGULATION. Claude A. Piantadosi, MD Professor of Medicine and Pathology Duke University Medical Center Durham, N.C. USA

3) AMP-activated protein kinase: ancient energy gauge provides clues to modern understanding of metabolism. Kahn BB , Alquier T, Carling D, Hardie DG. Cell Metab. 2005 Jan;1(1):15-25.

4) Nuclear control of respiratory chain expression by nuclear respiratory factors and PGC-1-related coactivator. Scarpulla RC. Ann N Y Acad Sci. 2008 Dec;1147:321-34. Review.

5) Control of mitochondrial transcription specificity factors (TFB1M and TFB2M) by nuclear respiratory factors (NRF-1 and NRF-2) and PGC-1 family coactivators. Gleyzer N, Vercauteren K, Scarpulla RC. Mol Cell Biol. 2005 Feb;25(4):1354-66.

6)Estrogen related receptors (ERRs): a new dawn in transcriptional control of mitochondrial gene networks. Eichner LJ, Giguère V. Mitochondrion. 2011 Jul;11(4):544-52.Review

7)The peroxisome proliferator-activated receptor regulates mitochondrial fatty acid oxidative enzyme gene expression. Gulick T, Cresci S, Caira T, Moore DD, Kelly DP. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994 Nov 8;91(23):11012-6.

8)A cold-inducible coactivator of nuclear receptors linked to adaptive thermogenesis. Puigserver P, Wu Z, Park CW, Graves R, Wright M, Spiegelman BM. Cell. 1998 Mar 20;92(6):829-39.

9) AMPK and PPARdelta agonists are exercise mimetics. Narkar VA, Downes M, Yu RT, Embler E, Wang YX, Banayo E, Mihaylova MM, Nelson MC, Zou Y, Juguilon H, Kang H, Shaw RJ, Evans RM. Cell. 2008 Aug 8;134(3):405-15.

10) PPAR{delta} agonism activates fatty acid oxidation via PGC-1{alpha} but does not increase mitochondrial gene expression and function. Kleiner S, Nguyen-Tran V, Baré O, Huang X, Spiegelman B, Wu Z. J Biol Chem. 2009 Jul 10;284(28):18624-33.

11)Thyroid hormone control of thermogenesis and energy balance. Silva JE. Thyroid. 1995 Dec;5(6):481-92. Review.

12)Involvement of PGC-1, NRF-1, and NRF-2 in metabolic response by rat liver to hormonal and environmental signals.Venditti P, Bari A, Di Stefano L, Cardone A, Della Ragione F, D'Esposito M, Di Meo S. Mol Cell Endocrinol. 2009 Jun 16;305(1-2):22-9.

13) A variant form of the nuclear triiodothyronine receptor c-ErbAalpha1 plays a direct role in regulation of mitochondrial RNA synthesis. Mol Cell Biol. 1999 Dec;19(12):7913-24. Casas F, Rochard P, Rodier A, Cassar-Malek I, Marchal-Victorion S, Wiesner RJ, Cabello G, Wrutniak C.

14) Towards a molecular understanding of adaptive thermogenesis Bradford B. Lowell and Bruce M. Spiegelman Nature 404, 652-660(6 April 2000).

15) cAMP response element-binding protein (CREB) is imported into mitochondria and promotes protein synthesis. De Rasmo D, Signorile A, Roca E, Papa S. FEBS J. 2009 Aug;276(16):4325-33.

16) Role of calcium and AMP kinase in the regulation of mitochondrial biogenesis and GLUT4 levels in muscle.Proc Nutr Soc. 2004 May;63(2):275-8. Ojuka EO1.

17) Mechanisms of calcium-induced mitochondrial biogenesis and GLUT4 synthesis. Wright DC1. Appl Physiol Nutr Metab. 2007 Oct;32(5):840-5.

18)Hypoxia triggers AMPK activation through reactive oxygen species-mediated activation of calcium release-activated calcium channels. Mungai PT, Waypa GB, Jairaman A, Prakriya M, Dokic D, Ball MK, Schumacker PT. Mol Cell Biol. 2011 Sep;31(17):3531-45. doi: 10.1128/MCB.05124-11. Epub 2011 Jun

Biologia Mitocondriale applicata e Metodo BioNeF

Il metodo BioNeF è un percorso nutrizionale e funzionale denominato SNEFA improntato sulla riattivazione metabolica indipendentemente dalla calorie ingerite.

La BioNeF per costruire un supporto nutrizionale e funzionale adeguato (SNEFA) in linea generale sfrutta tre cardini fondamentali:

DEPURAZIONE (preparazione del terreno biologico)

NUTRIZIONE (individuare le carenze di micro e macro elementi in modo da fornire i giusti alimenti che colmando tali carenze rendono massima l'efficienza metabolica del soggetto)

BIOMODULAZIONE FUNZIONALE ( individuare possibili deficit cellulari o d'organo in modo da fornire fitocomplessi capaci di potenziare dell'efficienza massima metabolica del singolo soggetto).

Con il primo punto (è possibile approfondire nella pagina dedicata al Metodo BioNeF) viene preparato il terreno biologico. In questa fase una adeguata detossinazione libera l'organismo da tutte le tossine endogene ed esogene che potrebbero compromettere le fasi successive. La seconda e terza fase permettono di nutrire ed attivare tutti i possibile meccanismi biochimici capaci di far viaggiare al massimo dell'efficienza tutte le fasi cataboliche (perdita di grasso) e anaboliche (aumento massa muscolare e rigenerazione dei tessuti) dell'organismo. Tra i tanti meccanismi biochimici che beneficiano di queste due fasi quello mitocondriale è sicuramente quello a cui la BioNeF pone molta considerazione. Per quanto riguarda la fase nutrizionale rimando al sito http://www.dietamitocondriale.it del prof. Antonio Monti che il metodo BioNeF condivide a pieno; in questo paragrafo invece vogliamo approfondire i meccanismi molecolari con cui sfruttando alcune molecole funzionali (Nutraceutici) presenti nei cibi è possibile agire direttamente sulla biologia mitocondriale con tutti i vantaggi in termini salutistici che ne possono derivare. Nel paragrafo dedicato alla biogenesi Mitocondriale (vedi sopra) abbiamo analizzato i diversi geni coinvolti in questo complicato network regolatore. Sono state individuate diverse molecole funzionali a target mitocondriale capaci cioè di attivare alcuni fattori trascrizionali coinvolti nella biogenesi mitocondriale. Di seguito ne esamineremo alcuni per i quali esistono lavori scientifici che ne attestano la funzionalità.

La Pirrolochinolina chinone (PQQ)è un biofattore importante per la crescita dei batteri, piante ed organismi superiori. La PQQ sembra agire in diversi processi fisiologici tra cui la biogenesi mitocondriale. Il meccanismo d'azione sembra essere mediato dalla capacità del PQQ di attivare l'enzima AMPK (1) il quale come visto nel paragrafo precedente rappresenta il sensore energetico della cellula; il PQQ potrebbe essere definito relativamente alla biogenesi mitocondriale un mimetico della restrizione calorica nonché dell'esercizio fisico. È stato dimostrato che un alterazione nel livello di PQQ nell'alimentazione può avere un diverso impatto sul metabolismo energetico mitocondriale e sui livelli ematici di grassi (2). Una carenza di PQQ infatti determina un malfunzionamento mitocondriale con un impatto negativo sull'assetto lipidico ematico, al contrario un supplemento di PQQ migliora la bioenergetica cellulare con una drastica riduzione di grassi circolanti (3). La migliore fonte di vitamina PQQ è il “natto”, piatto giapponese a base di soia fermentata. Altri cibi ricchi di tale sostanza sono: prezzemolo, pepe verde, papaya, kiwi e tè verde.

Il resveratrolo rappresenta un altra molecola funzionale anch'essa capace di agire come mimetico della restrizione calorica in quanto attiva le sirtuine in particolare SIRT1 (4). Come visto sopra le sirtuine sono normalmente attivate da alti livelli di NAD+ sinonimo di un deficit energetico; SIRT1 determina la deacetilazione del master gene della biogenesi mitocondriale PGC1-alpha. Diversi studi hanno dimostrato che l’attivazione di SIRT1 determina un aumento del numero di mitocondri cellulari con un significativo miglioramento metabolico e di conseguenza del livello di grassi e zuccheri nel sangue (5-6). Stabilizzare i livelli di glicemia nei valori fisiologici vuol dire indurre l'organismo a mantenere bassi anche i livelli di insulina e a regolare tutto l'assetto ormonale con riduzione dei processi infiammatori alla base di diverse patologie tra cui diabete, obesità, malattie cardiocircolatorie. La fonte migliore di resveratrolo è la frutta di colore rosso vivo e viola come l'uva, i mirtilli, i mirtilli rossi e più in generale i frutti di bosco. Tuttavia, alimenti come gli arachidi o la frutta secca possono comunque rappresentare un fonte alternativa di resveratrolo ai suddetti alimenti.

Altra molecola funzionale è l'Idrossitirosolo (HT) molto famigliare alle popolazioni mediterranee in quanto presente nell'olio d'oliva. L'idrossitirosolo è classificato come composto fitochimico esprimente fortissime proprietà antiossidanti. L'indice ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity, ovvero la capacità di assorbimento dei ROS) per l'idrossitirosolo è pari a 40,000 μmolTE/g, circa dieci volte maggiore rispetto al tè verde e almeno due volte rispetto al CoQ10. L'idrossitirosolo sembra favorire la biogenesi mitocondriale e in particolare favorisce l'espressione dei geni che controllano la biosintesi dei complessi respiratori mitocondriali (7-8), facilitando nelle cellule adipose il consumo di ossigeno e una consequenziale diminuzione dei grassi accumulati. Il meccanismo d'azione non è ancora chiaro ma gli autori dei lavori 7-8 (vedi referenze) suppongono che l'HT sia capace di attivare diversi fattori trascrizionali tra cui l'AMPK. La miglior fonte di HT è l'olio d'oliva.

La quercetina al pari del resveratrolo rappresenta un altra molecola di interesse per la biogenesi mitocondriale; la quercetina è comunque capace di stimolare il funzionamento dei mitocondri favorendo il metabolismo energetico e abbassando i livelli di ros (potere anti-ossidante) (9). Anche la quercetina al pari del resveratrolo (nonostante il resveratrolo sembri essere più potente) sembra agire sulla biogenesi mitocondriale attraverso l'attivazione di SIRT1 (10). Alcuni studi su animali da laboratorio hanno dimostrato che la quercetina è capace di migliorare la risposta insulinica a livello muscolare con un effetto anti-adipogenico; un effetto che sembra dipendere dall'attivazione della biogenesi mitocondriale mediata dalla quercetina (11). Ottime fonti alimentari di quercetina sono le cipolle, in particolare quelle rosse, il cappero (è la pianta che ne contiene la maggior quantità rispetto al peso), il levistico (sedano di monte), l'uva rossa e il vino rosso, il tè verde, il mirtillo, la mela, la propoli, il sedano.

L'Epigallocatechina-3-gallate (EGCG) è un tipo di catechina ed è la più abbondante catechina nel tè, e in particolare nel tè verde. L'azione antiossidante dell'EGCG è legata sia ad una azione diretta nell'intercettare i Ros neutralizzandoli sia ad un azione indiretta migliorando la funzionalità mitocondriale e quindi impedendo che questi producano Ros (12-13). L'EGCG è stato dimostrato avere una potente azione anti-infiammatoria favorendo l'inibizione di molecole pro-infiammatorie come TNF-alpha, IL-6 and IL-8 (14). L'azione sinergica tra attivazione della biogenesi mitocondriale, forse mediata dall'enzima AMPK, potere anti-ossidante e anti-infiammatori rende l'EGCG di grande utilità nel trattamento di diverse patologie croniche come il diabete, l'obesità, la sindrome metabolica e le malattie cardiocircolatorie; in un lavoro recente è stata anche sottolineato l'effetto benefico dellEGCG nella sindrome di Down (15).

La Berberina (BBR) è un alcaloide vegetale noto per le sue capacità di ridurre il livello di colesterolo ematico. È presente nella corteccia, nelle radici e nei fusti, inclusi quelli sotterranei (rizoma), di piante appartenenti al genere Berberis, come il crespino (Berberis vulgarisL.). Alcuni lavori mettono in evidenza un effetto benefico della Berberina in topi diabetici che evidenziano un miglioramento della sensibilità all'insulina. Questo effetto anti-diabetico (e forse anche l'azione ipocoleterolemizzante) sembra essere mediato dall'attivazione dell' AMPK e quindi ancora una volta dall'attivazione della biogenesi mitocondriale che attivando la combustione dei substrati energetici migliora il livello di zuccheri e grassi nel sangue (16-18). La capacità della berberina di attivare la funzionalità mitocondriale è stata dimostrata anche in ratti nutriti con una dieta ricca di grassi (HFD) e ipergliceremici. Un supplemento di BBR determinava un significativo miglioramento dell'attività mitocondriale associata ad un netto miglioramento della resistenza insulinica. Gli autori sostengono che l'attivazione della biogenesi mitocondriale mediata dalla BBR sia dovuta non all'attivazione dell'enzima AMPK ma all'attivazione della Sirtuina 1 (SIRT1) (19).

Silimarina (cardo mariano)

La silimarina è una miscela costituita soprattutto da tre sostanze: la silibina (detta anche silibinina), la silicristina e la silidianina. Questo complesso di flavonolignani si trova in diverse piante, soprattutto nel cardo mariano, dov'è originariamente presente nel rapporto 3:1:1. La silimarina non è presente nelle foglie, ma si concentra nei semi e nello strato proteico della superficie esterna del frutto. L'importanza del cardo mariano è conosciuta da tempo in ambito fitoterapico, dove viene tradizionalmente impiegato per migliorare la salute e la funzionalità del fegato. Gli effetti epatoprotettivi della silimarina sono stati dimostrati sia in vitro che in vivo, esponendo gli animali a sostanze tossiche in grado di indurre danno epatico, come l'etanolo, la falloidina (veleno caratteristico dei funghiappartenenti al genere Amanita), il tetracloruro di carbonio, il paracetamolo e la tioacetammide. Gli studiosi hanno così potuto apprezzare l'efficacia protettiva della silimarina ed indagarne i vari meccanismi di azione, riconducibili soprattutto alla sua capacità di aumentare la sintesi delle proteine epatiche e di inibire quella dei mediatori infiammatori e dei radicali liberi. La capacità di inibire la produzione dei radicali liberi e quindi il suo potere anti-ossidante dipende molto probabilmente dall'attivazione da parte della silimarina della biogenesi mitocondriale (20).

Per dovere di cronaca e per spirito scientifico alcuni ricercatori tra cui il Prof. Hardie dell' Università di Dundee (UK) pongono molti dubbi sulla capacità di diverse molecole naturali (nutraceutici) di attivare l'enzima AMPK. In particolare il prof. Hardie si chiede in un suo articolo (21) come mai molecole chimicamente cosi diverse siano in grado di attivare un medesimo enzima (AMPK). La risposta sarebbe da ricercare sul fatto che molti nutraceutici in realtà siano dei veleni che le piante producono per difendersi dai parassiti inibendone la catena respiratoria mitocondriale. Alcuni nutraceutici come il resveratrolo o la quercetina sarebbero capaci di inibire il complesso V della catena respiratoria con conseguente deplezione di ATP. La deplezione di ATP farebbe aumentare di conseguenza la concentrazione intracellulare di AMP che in definitiva attiva l'AMPK e tutto il network della biogenesi mitocondriale con l'intento di riportare a livelli normali la concentrazione intracellulare di ATP. Queste ricerche pongono due quesiti fondamentali da valutare attentamente. Il primo quesito è quello relativo alla reale utilità degli integratori alimentari nella salvaguardia della nostra salute; gli estratti superconcetrati di nutraceutici potrebbero non solo non essere di nessun beneficio ma addirittura dannosi; se in effetti alcuni di loro non sono altro che dei veleni, una dose massiccia potrebbe danneggiare l'assetto metabolico della cellula con tutti gli annessi e connessi. Il secondo quesito si inquadra ancora una volta sulla visione olistica del cibo; la BioNeF si domanda: ammesso che diversi nutraceutici siano dei veleni naturali è possibile che le basse concentrazioni di essi nel cibo non siano alla base di un processo ormetico in cui a piccole dosi (sempre assunte attraverso il cibo) siano capaci di indurre leggeri stress metabolici capaci di migliorare a lungo termine la risposta metabolica cellulare rendendo queste più forti e sane?

La risposta a questa domanda c'è la fornisce lo stesso Prof. Hardie che ha gentilmente risposto ad una nostra e-mail che riportiamo integralmente:

Dear Prof. Hardie

My name Damiano Panelli and I'm sending this e-mail from Italy (Puglia, South Italy)

I read with very attention your studies on AMPK activation by different xenobiotics or nutraceuticals; it was surprising to read that nutraceuticals" including resveratrol and quercetin are mitochondrial inhibitors. I think that your work are very interesting about a possible deleterious effect on the human health the use of different nutraceuticals as human integrators. In contrast I would to ask you about the possible hormetic effect of different nutraceuticals which we assume with the foods; If realy quercetin, resveratrol are mitochondrial inhibitors I assume that a low concentration in the foods be benefical for a possible hormetic effect.

What is your opinion?

Best Regards

Damiano

RISPOSTA:

Damiano-

Because the AMPK system is activated in a very sensitive manner by even a very mild inhibition of mitochondrial ATP synthesis, mitochondrial inhibitors can have beneficial effects at low concentrations through AMPK activation, even though at higher concentrations they may be toxic. This is indeed a type of hormetic effect.

An interesting case is metformin, which is derived from the natural product galegine. Because metformin is a cation, it accumulates in mitochondria due to the membrane potential across the inner membrane. However, because it is an inhibitor of the respiratory chain it has the potential to cause the membrane potential to collapse. If this happens, metformin will no longer accumulate in mitochondria – a self-limiting effect.

Grahame Hardie.

Prof. D. Grahame Hardie, FRS, FMedSci, FRSE

Division of Cell Signalling & Immunology

College of Life Sciences

University of Dundee

Dow Street

DUNDEE

DD1 5EH

Scotland, UK

Referenze:

1) Pyrroloquinoline quinone stimulates mitochondrial biogenesis through cAMP response element-binding protein phosphorylation and increased PGC-1alpha expression. Chowanadisai W, Bauerly KA, Tchaparian E, Wong A, Cortopassi GA, Rucker RB. J Biol Chem. 2010 Jan 1;285(1):142-52.

2) Dietary pyrroloquinoline quinone (PQQ) alters indicators of inflammation and mitochondrial-related metabolism in human subjects. Harris CB, Chowanadisai W, Mishchuk DO, Satre MA, Slupsky CM, Rucker RB. J Nutr Biochem. 2013 Dec;24(12):2076-84.

3) Altering pyrroloquinoline quinone nutritional status modulates mitochondrial, lipid, and energy metabolism in rats. Bauerly K, Harris C, Chowanadisai W, Graham J, Havel PJ, Tchaparian E, Satre M, Karliner JS, Rucker RB. PLoS One. 2011;6(7):e21779.

4) Resveratrol improves mitochondrial function and protects against metabolic disease by activating SIRT1 and PGC-1alpha. Lagouge M1, Argmann C, Gerhart-Hines Z, Meziane H, Lerin C, Daussin F, Messadeq N, Milne J, Lambert P, Elliott P, Geny B, Laakso M, Puigserver P, Auwerx J.Cell. 2006 Dec 15;127(6):1109-22.

5) SIRT1 is required for AMPK activation and the beneficial effects of resveratrol on mitochondrial function. Price NL1, Gomes AP, Ling AJ, Duarte FV, Martin-Montalvo A, North BJ, Agarwal B, Ye L, Ramadori G, Teodoro JS, Hubbard BP, Varela AT, Davis JG, Varamini B, Hafner A, Moaddel R, Rolo AP, Coppari R, Palmeira CM, de Cabo R, Baur JA, Sinclair DA. Cell Metab. 2012 May 2;15(5):675-90.

6) Resveratrol preserves mitochondrial function, stimulates mitochondrial biogenesis, and attenuates oxidative stress in regulatory T cells of mice fed a high-fat diet.Wang B, Sun J, Ma Y, Wu G, Tian Y, Shi Y, Le G. J Food Sci. 2014 Sep;79(9):H1823-31.

7) Hydroxytyrosol promotes mitochondrial biogenesis and mitochondrial function in 3T3-L1 adipocytes. Hao J, Shen W, Yu G, Jia H, Li X, Feng Z, Wang Y, Weber P, Wertz K, Sharman E, Liu J. J Nutr Biochem. 2010 Jul;21(7):634-44.

8) Hydroxytyrosol protects against oxidative damage by simultaneous activation of mitochondrial biogenesis and phase II detoxifying enzyme systems in retinal pigment epithelial cells. Zhu L, Liu Z, Feng Z, Hao J, Shen W, Li X, Sun L, Sharman E, Wang Y, Wertz K, Weber P, Shi X, Liu J. J Nutr Biochem. 2010 Nov;21(11):1089-98.

9) Synthesis, characterization and study of antioxidant activity of quercetin-magnesium complex.Ghosh N, Chakraborty T Mallick S, Mana S, Singha D, Ghosh B, Roy S. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2015

10)Quercetin, luteolin, and epigallocatechin gallate promote glucose disposal in adipocytes with regulation of AMP-activated kinase and/or sirtuin 1 activity.Xiao N, Mei F, Sun Y, Pan G, Liu B, Liu K.Planta Med. 2014 Aug;80(12):993-1000.

11) In vivo effects of dietary quercetin and quercetin-rich red onion extract on skeletal muscle mitochondria, metabolism, and insulin sensitivityT. M. Henagan, W. T. Cefalu, D. M. Ribnicky, R. C. Noland, K. Dunville, W. W. Campbell, L. K. Stewart, L. A. Forney, T. W. Gettys, J. S. Chang, C. D. Morrison.

12) Chemoprotection: a review of the potential therapeutic antioxidant properties of green tea (Camellia sinensis) and certain of its constituents. Mitscher L.A., Jung M., Shankel D., Dou J.H., Steele L., Pillai S.P.,, in Med Res Rev., luglio 1997, 17(4):327-65.

13) (-)-Epigallocatechin-3-gallate increases the expression of genes related to fat oxidation in theskeletal muscle of high fat-fed mice. Sae-Tan S, Grove KA, Kennett MJ, Lambert JD.Food Funct. 2011 Feb;2(2):111-6.

14)Epigallocatechin-3-gallate inhibits secretion of TNF-alpha, IL-6 and IL-8 through the attenuation of ERK and NF-kappaB in HMC-1 cells. Int Arch Allergy Immunol. 2007;142(4):335-44.

15) Epigallocatechin-3-gallate prevents oxidative phosphorylation deficit and promotes mitochondrial biogenesis in human cells from subjects with Down's syndrome. Valenti D, De Rasmo D, Signorile A, Rossi L, de Bari L, Scala I, Granese B, Papa S, Vacca RA. Biochim Biophys Acta. 2013 Apr;1832(4):542-52.

16)Berberine, a natural plant product, activates AMP-activated protein kinase with beneficial metabolic effects in diabetic and insulin-resistant states.Lee YS, Kim WS, Kim KH, Yoon MJ, Cho HJ, Shen Y, Ye JM, Lee CH, Oh WK, Kim CT, Hohnen-Behrens C, Gosby A, Kraegen EW, James DE, Kim JB. Diabetes. 2006;55:2256–2264.

17) Berberine and its more biologically available derivative, dihydroberberine, inhibit mitochondrial respiratory complex I: a mechanism for the action of berberine to activate AMP-activated protein kinase and improve insulin action. Turner N, Li JY, Gosby A, To SW, Cheng Z, Miyoshi H, Taketo MM, Cooney GJ, Kraegen EW, James DE, Hu LH, Li J, Ye JM. Diabetes. 2008;57:1414–1418.

18) Berberine-stimulated glucose uptake in L6 myotubes involves both AMPK and p38 MAPK Cheng Z, Pang T, Gu M, Gao AH, Xie CM, Li JA, Nan FJ, Li J. Biochim Biophys Acta. 2006;1760:1682–1689.

19) Berberine protects against high fat diet-induced dysfunction in muscle mitochondria by inducing SIRT1-dependent mitochondrial biogenesis. Gomes AP1, Duarte FV, Nunes P, Hubbard BP, Teodoro JS, Varela AT, Jones JG, Sinclair DA, Palmeira CM, Rolo AP. Med Sci Sports Exerc. 2009 Jul;41(7):1467-75.

20) Silybin exerts antioxidant effects and induces mitochondrial biogenesis in liver of rat with secondary biliary cirrhosis. Serviddio G, Bellanti F, Stanca E, Lunetti P, Blonda M, Tamborra R, Siculella L, Vendemiale G, Capobianco L, Giudetti AM. Free Radic Biol Med. 2014 Aug;73:117-26.

21)Sensing of energy and nutrients by AMP-activated protein kinase. Hardie DG.Am J Clin Nutr. 2011 Apr;93(4):891S-6. Review.