Il ruolo dei mitocondri

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1 Invecchiamento : un problema di energia e di termodinamica? Il ruolo dei mitocondri Jlenia Manfredini Medico in Formazione Specialistica Scuola di Specializzazione in Geriatria

2 Un sistema chiuso tende a raggiungere nel tempo la massima entropia, ossia la massima quantità di energia non disponibile (Secondo principio della termodinamica) Il corpo umano però è un sistema aperto, la cui energia, calore e materiali scambiano ampiamente con l esterno L insieme delle attività chimico-fisiche e metaboliche rendono possibile la vita resistendo all aumento dell entropia

3 Le cellule richiedono continuo apporto di energia per lo svolgimento delle specifiche funzioni (trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione muscolare, i trasporti attivi attraverso le membrane plasmatiche, la sintesi delle proteine e la divisione cellulare, ecc). La maggior parte dell energia deriva dalla rottura del legame fosfato dell ATP, che è continuamente riformato a partire da ADP e fosfato. Il suo turnover molto rapido consente la sintesi e la disponibilità di grandi quantità (100 g e più/ die) L enorme attività che si svolge dentro le nostre cellule è mostrata dal fatto che ogni istante ogni cellula contiene circa un miliardo di molecole di ATP, quantità sufficiente solo per alcuni minuti, e che viene rapidamente reciclata.

4 Più del 95% dell ATP viene prodotto nei mitocondri mediante la respirazione cellulare

5 Mitochondria A cellular organelle probably of endosymbiotic origin that resides in the cytosol of most nucleated (eurkaryotic) cells. This organelle produces energy by oxidising organic acids and fats with oxygen by the process of oxidative phosphorylation and generates oxygen radicals (reactive oxygen species ROS )as a toxic by-product

6 Struttura dei mitocondri

7 Mitochondrial plasticity: rapid change of shapes in living cells

8 Number of Mitochondria per cell Most somatic cells ,000 Lymphocyte 1000 Oocytes 100,000 Sperm few hundred No mitochondria in red cells and some terminally differentiated skin cells

9 Mitochondrial genome 22 trna genes 13 polypeptide-encoding gene (for respiratory chain) 2 ribosomal RNA genes

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12 Altre funzioni mitocondriali.. Apoptosi e morte neuronale da tossicità da glutammato Regolazione del ciclo cellulare Regolazione dello stato redox della cellula Sintesi del colesterolo Sintesi dell eme Produzione di calore (glicolisi e β-ossidazione)

13 Ageing L ageing è un processo continuo, universale, progressivo, intrinseco e deleterio, che riduce progressivamente la capacità di un organismo a mantenersi in equilibrio (omeostasi) nei confronti dell ambiente e agli eventi stressanti: ciò aumenta la probabilità di ammalarsi (fragilità) e di morire. E caratterizzato da crescente disordine strutturale (con aumento dell entropia) e conseguente perdita funzionale fisica e mentale

14 Teorie dell invecchiamento DNA damage and DNA repair Loss of repair efficiency with age leads to somatic mutation with effects described above. Mitochondrial free radical theory Damage to mitochondria and cellular proteins from free radicals generated in mitochondria causes cell aging. Altered proteins Accumulation of damaged protein in cells causes cellular processes to work poorly.

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16 Biogenesi mitocondriale Alla richiesta di energia le cellule rispondono formando nuovi mitocondri Fattori influenzanti questo processo: nutrienti essenziali (substrati e cofattori), ormoni, esercizio fisico, l ipossia, lo stress e lo stessa età

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18 Il malfunzionamento e la riduzione della biogenesi di nuovi mitocondri hanno rilevanti effetti sull organismo La ragione precisa della decrescente quota di biogenesi mitocondriale sembra legata sia a fattori extra- che intra-cellulari Tra gli intracellulari: AMPK (AMP- activated protein kinase), la resistenza all insulina, rallentato metabolismo dei lipidi nelle cellule vecchie (si accumulano TG).

19 I mitocondri (catena di trasporto degli elettroni), sono il principale sito di ossidazione e di produzione dei radicali liberi dell ossigeno(ros), in particolare di O2- e NO, dai quali poi derivano anche H2O2, ONOO-, HO, ROO Con l invecchiamento aumentano i prodotti di ossidazione e diminuisce l attività funzionale nei mitocondri (Dysfunctional mitochondria) I ROS prodotti hanno selettività nel danneggiare macromolecole e le funzioni delle membrane biologiche comprese quelle mitocondriali

20 Amplification mechanisms Weindruch R 1996 Caloric restriction and aging. Scientific American 231, Kowald A 2001 The mitochondrial theory of aging, Biological Signals & Receptors 10, Kowald A & Kirkwood TBL 2000 Accumulation of defective mitochondria through delayed degradation of damaged organelles and its possible role in the aging of post-mitotic cells. Journal of Theoretical Biology 202,

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23 Nei primati la restrizione calorica (CR) del 25% con o senza attività fisica riduce significativamente il dispendio energetico totale, aumenta la funzionalità mitocondriale e prolunga la durata della vita La CR induce biogenesi mitocondriale aumentando la massa mitocondriale senza modificarne l attività degli enzimi chiave CR riduce i marker dello stress ossidativo.

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25 Alterazioni del metabolismo mitocondriale giocano un ruolo importante non solo nelle malattie dell infanzia, ma anche nelle comuni malattie cronico-degenerative legate all età (malattie cardiache, diabete, Parkinson e demenza)

26 Le vitamine del gruppo B regolano gli enzimi mitocondriali Integrità e funzioni mitocondriali sono compromesse se ci sono carenze nutrizionali. Poche reazioni metaboliche dipendono da una sola vitamina; inoltre nella malnutrizione più fattori sono carenti. È complicato riuscire ad identificare una causa Bisogna identificare le vie metaboliche compromesse più che le vitamine coinvolte

27 Vitamine del gruppo B e reazioni biochimiche nel mitocondrio

28 Tiamina (vitamina B1) Attiva nella forma di Tiamina pirofosfato (TPP) RDA=1,4 mg Si trova pricipalmente nei cibi non cotti (cereali, verdure verdi, noci..) e in piccole quantità nei cibi raffinati come lo zucchero. L apporto è diminuito dall ormone tiroideo, nel diabete, dall età e dal consumo di alcool Tiamina corporea totale: 30 mg; Il 30% nei mitocondri (matrice) dove è principalmente legata ad enzimi Implicata nelle reazioni di deidrogenasi Cofattore di complessi enzimatici mitocondriali ( piruvato- ketoacido- e α-chetogluatarato- deidrogenasi ) e della transchetolasi del citosol La tiamina è valutabile misurando: la tiamina plasmatica, l attività della transchetolasi eritrocitaria, e la concentrazione di acido lattico e piruvico dopo esercizio fisico o carico di glucosio

29 Prevenzione dello stress ossidativo e della tossicità mitocondriale della tiamina Può agire direttamente come antiossidante Il deficit è legato a malattie neurodegenerative (Beriberi). Previene la citotossicità epatica e la formazione di radicali liberi indotti da inibitori della catena respiratoria come il totenone o il cianuro Previene, con meccanismi non ancora ben chiari la fomazione di calcoli renali E importante per prevenire le conseguenze di un diabete scompensato Quindi la tiamina sembra essere efficace nel dare sollievo in molte malattie croniche, tuttavia il trattamento con tiamina è spesso inadeguato e/o dimenticato.

30 Tiamina

31 Riboflavina (vitamina B2) Precursore del FAD e FMN, essenziali per l attività dei flavoenzimi (ossidasi, reduttasi e deidrogenasi) RDA:1,5 mg Si trova maggiormente in uova, carni magre, latte, broccoli Sito di maggior stoccaggio:fegato FAD e FMN agiscono come trasportatori di elettroni I mitocondri contengono 5 acetilcoa deidrogensi che richiedono FAD È un cofattore della protoporfirina ossidasi mitocondriale È valutabile misurando l attività della glutatione reduttasi eritrocitaria o i livelli di flavina eritrocitaria o urinaria

32 Deficit di vitamina B2 Tipico sintomo del deficit di riboflavina sono cheilite e glossite, ma anche dermatite seborroica e manifestazioni oculari Nel deficit di riboflavina vengono inibite l ossidazione mitocondriale degli acidi grassi e degli amino acidi,diminuisce la formazione di eme (anemia normocitica, normocromica con ferritina aumentata), aumentato stress ossidativo, aumentati livelli circolanti di omocisteina Sono stati notati inoltre demielizzazione dei nervi periferici, alterazione nel metabolismo della tiroxina, aumentati danni alle catene di DNA Supplementi di riboflavina in combinazione con altre vitamine migliorano la respirazione cellulare.

33 Riboflavina Coenzymes: (FMN) Flavin mononucleotide (FAD) Flavin adenine dinucleotide Oxidation-reduction reactions Electron transport chain Citric Acid Cycle Catabolism of fatty acids

34 Niacina (vitamina B3) Precursore di NAD+ e NADP+, implicati in più di 500 reazioni enzimatiche; in particolare sono coinvolte nelle reazioni di glicolisi, beta-ossidazione e nella catena respiratoria. RDA: 20 mg Si trova nella carne, nel pane e i molti cibi freschi I livelli di N-metil nicotinammide nel siero e nelle urine sono usati per misurare il deficit di niacina che si verifica nella pellagra, nell AIDS, nella malnutrizione e in altre malattie. Ogni molecole di NADH produce 3 molecole di ATP NADPH è necessario per la rigenerazione del glutatione, quindi sostiene il bilancio antiossidante della cellula. Lo stato della niacina corporea è valutato mediante misura della concentrazione plasmatica e dell escrezione urinaria.

35 Deficit di vitamina B3 Il deficit è raro responsabile della Pellagra (dermatite, diarrea, demenza, depressione) I maggiori enzimi coinvolti nel deficit sono le deidrogenasi della catena respiratoria (diminuito gradiente transmembrana, diminuita sintesi di ATP, riduzione della glicolisi e incremento dei segnali di infiammazione) Anche i meccanismi di riparo del DNA risultano danneggiati (può essere genotossica) Integrazione di niacina aumenta le capacità detossificanti della cellula nei confronti de radicali liberi.

36 Niacina Coenzyme (NAD) Nicotinamide adenine Dinucleotide Oxidation-reduction reactions Metabolic reactions (NADP) Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate

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39 BLU DI METILENE A basse dosi attività germicida e utilizzato nelle infezione delle vie urinarie e oculari Assorbito a livello intestinale Passa la BEE Escreto principalmente nelle urine (dona un colore blu a feci e urine) POTENTE ANTIOSSIDANTE, abile a accettare elettroni viene ridotto nella forma di blu di leucometilene AUTOSSIDABILE, cede facilmente elettroni riducendo altri composti Inibisce la guanilato ciclasi Utilizzato in microbiologia e in procedure diagnostiche come la ricerca di fistole o di tessuti (le paratiroidi) durante interventi chirurgici Trattamento nell avvelenamento da cianuro e nei bassi livelli di metaemoglobina

40 Si concentra nei mitocondri È in grado di mantenere la funzionalità mitocondriale, accettando elettroni dai vari blocchi delle catena respiratoria e trasferendoli poi alla citocromo ossidasi o all ossigeno, se disponibile

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42 L uso di blu di metilene nello shock settico (2 mg/kg ogni 6 ore) determina un transitorio aumento della PA e delle funzionalità cardiaca, ma non è associato ad incremento dell O2 disponibile alle cellule; significativa riduzione dei lattati, probabilmente correlata all effetto riducente.

43 Una singola dose di blu di metilene (2 mg/kg ev. in 20 minuti) sembra inoltre avere buona efficacia nel trattamento della vasoplegia conseguente a bypass CP e refrattaria alle catecolammine

44 Rember (blu di metilene) nuova terapia per la demenza di Alzheimer

45 60 mg 3 volte al giorno in pazienti con demenza di Alzheimer lieve-moderata sembra sia efficace nel ridurre la progressione del deficit cognitivo Analoghi risultati nei pazienti affetti da Parkinson (studio Adagio)

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47 Alcune conclusioni.. Carenze nutrizionali sono frequenti nel paziente anziano, che è ad alto rischio di malnutrizione Quantità e qualità degli alimenti correlano con morbilità, mortalità, disabilità e durata dell ospedalizzazione del paziente anziano La valutazione nutrizionale deve essere parte integrante della VMD E possibile l utilizzazione di sostanze con proprietà modificanti l utilizzazione energetica come resveratrolo, PPAR-agonisti, ecc

48 L energia totale richiesta dipende dai livelli di attività e dal peso corporeo Gli anziani hanno generalmente un minore RMR perché la massa magra tende a diminuire.

49 RMR può essere misurata indirettamente mediante un metabolimetro, un metodo di stima della produzione di calore basato sullo scambio di gas (calcolato come quantità di O2 consumato in KJ/L)

50 Cosa fare? Valutare il RMR tenendo conto delle condizioni cliniche, l idratazione, BMI,la composizione corporea Quanto mangia? Deglutisce correttamente? Malassorbe? E achilico? La dieta è generalmente povera e contenente cibi conservati: cercare di migliorare l introito. In ambulatorio i problemi nutrizionali sono generalmente ignorati Nella lettera di dimissione non dimentichiamo la valutazione nutrizionale Prevenzione : adeguate prescrizioni e indicazioni alimentari.