Pierangelo Veggiotti. Fondazione Istituto neurologico nazionale casimiro mondino Pavia LA MALATTIA DI MELE

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1 Pierangelo Veggiotti Fondazione Istituto neurologico nazionale casimiro mondino Pavia LA MALATTIA DI MELE

2 Le malattie mitocondriali Il termine Malattie Mitocondriali comprende numerose patologie caratterizzate da anomalie nel metabolismo energetico con un grado variabile di disfunzione della catena respiratoria mitocondriale. Gli altri processi in cui il mitocondrio interviene sono: l apoptosi, regolazione del ciclo cellulare, regolazione dello stato redox della cellula, sintesi dell eme, sintesi del colesterolo, produzione di calore. La produzione di energia è la funzione principale del mitocondrio e viene svolta utilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato ed il NADH. Essi vengono sfruttati in due processi: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Il mitocondrio-organello subcellulare- è in grado di svolgere molteplici funzioni. La più importante tra esse consiste nell estrarre energia dai substrati organici che gli arrivano per produrre un gradiente ionico che viene sfruttato per produrre adenosintrifosfato (ATP).

3 L origine del mitocondrio: la teoria endosimbiotica Il mitocondrio presenta alcune caratteristiche tipiche dei batteri: presenza di molecole di cardiolipina ed assenza di colesterolo nella membrana interna, la presenza di un DNA circolare a doppia eliche e la presenza di ribosomi propri e di una doppia membrana. Come i batteri, i mitocondri non hanno istoni ed i loro ribosomi sono sensibili ad alcuni antibiotici (come il cloramfenicolo). In più i mitocondri sono organelli semiautonomi in quanto replicano, per scissione binaria, autonomamente rispetto alla cellula. Stante queste similitudini, la teoria endosimbiotica afferma che i mitocondri deriverebbero da ancestrali batteri, dotati di metabolismo ossidativo, che sarebbero stati inglobati dalle cellule eucariote con conseguente mutuo beneficio. Successivamente i batteri avrebbero trasferito gran parte del loro materiale genetico a quello cellulare, divenendo così, mitocondri

4 Il genoma mitocondriale contiene coppie di basi e possiede 37 geni codificanti per due RNA ribosomiali (rrna), 22 RNA di trasporto (trna) e 13 proteine che fanno parte dei complessi enzimatici deputati alla fosforilazione ossidativa. In ogni mitocondrio si trovano da due a dieci copie del genoma. La presenza della catena di trasporto degli elettroni con la sua capacità di produrre radicali liberi, la mancanza di istoni ed i limitati sistemi di riparo, rendono il DNA mitocondriale facilmente danneggiabile ed in effetti il suo tasso di mutazione è circa dieci volte maggiore di quello nucleare. Ciò fa sì che si possano avere sequenza mitocondriali differenti anche all interno di uno stesso individuo.

5 Il genoma mitocondriale codifica per il 93% delle sue sequenze: ne risulta quindi una struttura genica compatta, policistronica e quasi totalmente priva di introni. Esso contiene 37 geni, 13 dei quali codificano per polipeptidi propri del mitocondrio (11 subunità della catena respiratoria, e 2 subunità della ATPsintetasi), 22 per i trna e 2 per gli rrna, che esprimono il genoma mitocondriale a livello dell organismo umano. Ovviamente il genoma mitocondriale, in quanto tale, può andare incontro a mutazioni, più o meno estese, ma che (così come avviene nel genoma nucleare) sono il fattore scatenante di numerose malattie genetiche.

6 Fosforilazione ossidativa: la catena di trasporto degli elettroni Attraverso un complesso multienzimatico avente le funzioni di catena di trasporto, gli elettroni dopo una serie di passaggi intermedi, vengono ceduti all ossigeno molecolare (O2) che viene ridotto ad acqua. Nel mitocondrio si possono isolare ben quattro complessi poliproteici responsabili del trasporto degli elettroni: Complesso I (NADH deidrogenasi) che contiene almeno 30 diversi polipeptidi, una flavoproteina e 9 centri ferro-zolfo e per ogni coppia di elettroni fatta passare vengono trasferiti tre o quattro protoni, Complesso II (Succinato deidrogenasi) che, oltre a catalizzare una reazione del ciclo di Krebs, consente il trasferimento di elettroni al FAD ed all ubichinone ma non permette il passaggio di protoni, Complesso III (Citocromo c riduttasi) che contiene circa 10 polipeptidi e gruppi eme ed un centro ferrozolfo, permette il passaggio di elettroni dall ubichinone ridotto al citocromo c e per ogni coppia di elettroni trasferisce quattro protoni, Complesso IV (Citocromo c ossidasi) che contiene almeno 13 polipeptidi permette il trasferimento di elettroni dal citocromo c all ossigeno ed anche lo spostamento dei protoni anche se non ne è ben chiaro il numero (forse quattro per ossigeno ridotto). Successivamente i protoni vengono rifatti passare attraverso la membrana interna, in un processo di diffusione facilitata, tramite l enzima ATP sintetasi che ottiene così l energia sufficiente per produrre molecole di ATP, trasferendo un gruppo fosfato a dell ADP.

7 Il mitocondrio e l apoptosi Il mitocondrio funziona da centrale d integrazione degli stimoli apoptotici. Essi possono essere di molteplice natura (caspasi, ceramide, vari tipi di chinasi, ganglioside GD3, ecc ) e sono in grado di determinare l apertura di un complesso poliproteico chiamato poro di transizione mitocondriale. Come risultato finale, il mitocondrio si riempe di liquido e la membrana esterna scoppia liberando nel citoplasma fattori stimolanti l apoptosi come AIF, (Apoptosis Inducing Factor) che è in grado di raggiungere il nucleo ed attiva una via indipendente dalle caspasi in grado di degradare il DNA, ed il citocromo c che si lega alle proteine Apaf-1 (apoptotic protease activating factor) e caspasi 9 ed una molecola di ATP formando un complesso definito apoptosoma. La caspasi 9 presente diviene in grado di attivare altre caspasi che danno il via ad una cascata molecolare che si conclude con la degradazione del DNA ad opera di fattori nucleari

8 Malattie Mitocondriali: clinica Dal punto di vista clinico, le malattie mitocondriali possono essere tessuto-specifiche oppure avere carattere multisistemico. L elevata richiesta energetica da parte del Sistema Nervoso Centrale e dei muscoli scheletrici conferisce a questi tessuti una maggiore vulnerabilità alle disfunzioni mitocondriali. Per questo motivo, ci si riferisce alle malattie mitocondriali spesso con l espressione Encefalomiopatie mitocondriali. Questo rende anche ragione dell interesse preminentemente neurologico del loro studio. Le patologie mitocondriali possono essere distinte, su base genetica in 2 categorie: 1) Malattie causate da mutazioni del DNA mitocondriale (mtdna) 2) Malattie mitocondriali causate da mutazioni in geni nucleari che codificano per proteine residenti nel mitocondrio

9 Le normali funzioni mitocondriali dipendono dalla relazione simbiotica di DNA nucleare (frecce blu e nere) e DNA mitocondriale (frecce rosse). L omeostasi cellulare è sotto il doppio controllo di questi due genomi. Le patologie mitocondriali possono sorgere da disfunzioni che scaturiscono dall uno o dall altro genoma (testo in rosso: malattie del DNA mitocondriale; testo in blu: malattie del DNA nucleare).

10 Ereditarietà Al momento della fecondazione il DNA mitocondriale di provenienza paterna è espulso Ereditarietà malattie da alterazioni del DNA mitocondriale: La malattia si trasmette con ereditarietà materna. Il padre di un probando non è a rischio di avere la malattia. La madre invece,che possiede sicuramente la mutazione,può presentare o meno i sintomi. La diagnosi prenatale è possibile solo se la malattia è già stata rilevata nella madre. Tuttavia non si può prevedere il fenotipo. Le malattie mitocondriali conseguenti ad alterazioni del DNA nucleare seguono le leggi della genetica mendeliana

11 Classificazione genetica delle malattie mitocondriali da disordini del genoma mitocondriale

12 Classificazione genetica delle malattie mitocondriali da disordini del genoma nucleare Difetti di geni nucleari codificanti componenti strutturali dei complessi della catena respiratoriasindrome di Leigh Cardiomiopatia Paraganglioma Sindromi multisistemiche Difetti di geni nucleari codificanti fattori coinvolti nell assemblaggio dei complessi della catena respiratoria ( assembly genes )Sindrome di Leigh Sindromi multisistemiche Difetti di geni che alterano la stabilità del mtdna (o difetti di comunicazione intergenomica)peo autosomica (arpeo e adpeo) MNGIE (encefalopatia mitocondriale neurogastrointestinale) Sindromi da deplezione del mtdna Deficit di Coenzima Q10

13 Malattie mitocondriali: multisitemicità

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