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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)

 

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Fig. 2 (From: MITOCHONDRIAL BIOGENESIS AND REDOX REGULATION. Claude A. Piantadosi, MD

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

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