Sommario di Struttura cellulare, correlati anatomici della funzione metabolica

Autore e curatore: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Questo capitolo si è occupato dell’ultrastruttura subcellulare degli organelli, e soprattutto della loro funzione. Non ci sono scarti nella struttura cellulare. Il nucleo ha le istruzioni necessarie per svolgere le funzioni della cellula. Nella cellula eucariotica c’è una significativa differenziazione in modo che le cellule siano regolate per le necessità che svolgono in modo unico. Quando c’è una disregolazione, porta al rimodellamento o alla morte cellulare.

Qui noterò alcuni punti salienti di questo capitolo.

1. In ogni aspetto della funzione cellulare, le proteine sono coinvolte incorporate nella struttura, per un funzionamento più efficiente.
2. La regolazione metabolica dipende da vie che sono anche collegamenti di proteine.
3. L’utilizzo dell’energia dipende da reazioni enzimatiche, che spesso coinvolgono ioni metallici essenziali di alto numero di valenza, che facilita il legame covalente e anionico, e ha un ruolo essenziale nell’allostericità.

Mitocondri

I mitocondri hanno un diametro compreso tra 0,5 e 1,0 micrometri (μm). Queste strutture sono a volte descritte come “centrali elettriche cellulari” perché generano la maggior parte della fornitura di adenosina trifosfato (ATP) della cellula, usata come fonte di energia chimica. Oltre a fornire energia cellulare, i mitocondri sono coinvolti in altri compiti come la segnalazione, la differenziazione cellulare, la morte cellulare, così come il controllo del ciclo cellulare e la crescita cellulare. I mitocondri sono stati implicati in diverse malattie umane, compresi i disordini mitocondriali e la disfunzione cardiaca.

Il numero di mitocondri in una cellula può variare ampiamente da organismo, tessuto e tipo di cellula. Per esempio, i globuli rossi non hanno mitocondri, mentre le cellule del fegato possono averne più di 2000. L’organello è composto da compartimenti che svolgono funzioni specializzate. Questi compartimenti o regioni includono la membrana esterna, lo spazio intermembrana, la membrana interna, le criste e la matrice. Le proteine mitocondriali variano a seconda del tessuto e della specie. Si pensa che il proteoma mitocondriale sia regolato dinamicamente. Anche se la maggior parte del DNA di una cellula è contenuta nel nucleo, il mitocondrio ha il suo genoma indipendente. Inoltre, il suo DNA mostra una sostanziale somiglianza con i genomi batterici.

Nel 1913 Otto Heinrich Warburg collegò alla respirazione delle particelle provenienti da estratti di fegato di cavia, che chiamò “grana”. Warburg e Heinrich Otto Wieland, che aveva anche postulato un meccanismo di particelle simile, non erano d’accordo sulla natura chimica della respirazione. Solo nel 1925, quando David Keilin scoprì i citocromi, la catena respiratoria fu descritta. Nel 1939, gli esperimenti con cellule muscolari tritate dimostrarono che un atomo di ossigeno può formare due molecole di adenosina trifosfato, e, nel 1941, il concetto che i legami fosfato siano una forma di energia nel metabolismo cellulare fu sviluppato da Fritz Albert Lipmann. Negli anni seguenti, il meccanismo alla base della respirazione cellulare fu ulteriormente elaborato, anche se il suo legame con i mitocondri non era noto. L’introduzione del frazionamento dei tessuti da parte di Albert Claude permise di isolare i mitocondri da altre frazioni cellulari e di condurre analisi biochimiche solo su di essi. Nel 1946, egli concluse che il citocromo ossidasi e altri enzimi responsabili della catena respiratoria erano isolati nei mitocondri.

Le prime micrografie ad alta risoluzione apparvero nel 1952, sostituendo le macchie di verde di Giano come il modo preferito di visualizzare i mitocondri. Questo portò ad un’analisi più dettagliata della struttura dei mitocondri, compresa la conferma che erano circondati da una membrana. Mostrò anche una seconda membrana all’interno dei mitocondri che si ripiegava in creste dividendo la camera interna e che le dimensioni e la forma dei mitocondri variavano da cellula a cellula. Nel 1967, si scoprì che i mitocondri contenevano ribosomi. Nel 1968, furono sviluppati metodi per la mappatura dei geni mitocondriali, e la mappa genetica e fisica dei mitocondri di lievito fu completata nel 1976.

Un mitocondrio contiene membrane esterne e interne composte da bilayer fosfolipidici e proteine. Le due membrane hanno proprietà diverse. A causa di questa organizzazione a doppia membrana, ci sono cinque parti distinte in un mitocondrio. Esse sono:

1. la membrana mitocondriale esterna,
2. lo spazio intermembrana (lo spazio tra la membrana esterna e quella interna),
3. la membrana mitocondriale interna,
4. lo spazio delle criste (formato da pieghe della membrana interna), e
5. la matrice (spazio all’interno della membrana interna).

I mitocondri spogliati della loro membrana esterna sono chiamati mitoplasti.

Il mitocondrio ha una doppia membrana; quella interna contiene il suo apparato chemiosmotico e ha profonde scanalature che ne aumentano la superficie. Sebbene sia comunemente raffigurato come una “salsiccia arancione con un blob al suo interno” (come è qui), i mitocondri possono assumere molte forme e il loro spazio intermembrana è piuttosto sottile.

Lo spazio intermembrana è lo spazio tra la membrana esterna e la membrana interna. È anche conosciuto come spazio perimitocondriale. Poiché la membrana esterna è liberamente permeabile alle piccole molecole, la concentrazione di piccole molecole come ioni e zuccheri nello spazio intermembrana è la stessa del citosol. Tuttavia, le grandi proteine devono avere una specifica sequenza di segnalazione per essere trasportate attraverso la membrana esterna, quindi la composizione proteica di questo spazio è diversa da quella del citosol. Una proteina che è localizzata nello spazio intermembrana in questo modo è il citocromo c.

La membrana mitocondriale interna contiene proteine con cinque tipi di funzioni:

1. Quelle che eseguono le reazioni redox della fosforilazione ossidativa
2. L’ATP sintasi, che genera ATP nella matrice
3. Proteine di trasporto specifiche che regolano il passaggio dei metaboliti dentro e fuori la matrice
4. Macchina di importazione delle proteine.
5. Proteina di fusione e fissione dei mitocondri.

Contiene più di 151 polipeptidi diversi e ha un rapporto proteine-fosfolipidi molto alto (più di 3:1 in peso, cioè circa 1 proteina per 15 fosfolipidi). La membrana interna ospita circa 1/5 delle proteine totali di un mitocondrio. Inoltre, la membrana interna è ricca di un fosfolipide insolito, la cardiolipina. Questo fosfolipide è stato originariamente scoperto nei cuori di mucca nel 1942, ed è solitamente caratteristico delle membrane plasmatiche mitocondriali e batteriche. La cardiolipina contiene quattro acidi grassi piuttosto che due, e può contribuire a rendere la membrana interna impermeabile. A differenza della membrana esterna, la membrana interna non contiene porine, ed è altamente impermeabile a tutte le molecole. Quasi tutti gli ioni e le molecole richiedono speciali trasportatori di membrana per entrare o uscire dalla matrice. Le proteine sono trasportate nella matrice attraverso il complesso translocase della membrana interna (TIM) o attraverso Oxa1. Inoltre, c’è un potenziale di membrana attraverso la membrana interna, formato dall’azione degli enzimi della catena di trasporto degli elettroni.

La membrana mitocondriale interna è compartimentata in numerose criste, che espandono la superficie della membrana mitocondriale interna, aumentando la sua capacità di produrre ATP. Per i mitocondri tipici del fegato, l’area della membrana interna è circa cinque volte più grande della membrana esterna. Questo rapporto è variabile e i mitocondri delle cellule che hanno una maggiore richiesta di ATP, come le cellule muscolari, contengono ancora più cristae. Queste pieghe sono costellate da piccoli corpi rotondi conosciuti come particelle F1 o ossisomi. Queste non sono semplici pieghe casuali, ma piuttosto invaginazioni della membrana interna, che possono influenzare la funzione chemiosmotica complessiva. Un recente studio di modellazione matematica ha suggerito che le proprietà ottiche delle criste nei mitocondri filamentosi possono influenzare la generazione e la propagazione della luce nel tessuto.

La matrice è lo spazio racchiuso dalla membrana interna. Contiene circa 2/3 delle proteine totali di un mitocondrio. La matrice è importante per la biosintesi dei lipidi, come la fosfatidilserina sintasi sulla faccia ER e la fosfatidilserina decarbossilasi sulla faccia mitocondriale. Poiché i mitocondri sono organelli dinamici costantemente sottoposti a eventi di fissione e fusione, richiedono un rifornimento costante e ben regolato di fosfolipidi per l’integrità della membrana. Ma i mitocondri non sono solo una destinazione per i fosfolipidi di cui terminano la sintesi; piuttosto, questo organello svolge anche un ruolo nel traffico inter-organello degli intermedi e dei prodotti delle vie biosintetiche dei fosfolipidi, del metabolismo della ceramide e del colesterolo, e della produzione di ATP con l’aiuto dell’ATP sintasi contenuta nella membrana interna. La matrice contiene una miscela altamente concentrata di centinaia di enzimi, ribosomi mitocondriali speciali, tRNA e diverse copie del genoma del DNA mitocondriale. Tra gli enzimi, le funzioni principali includono l’ossidazione del piruvato e degli acidi grassi, e il ciclo dell’acido citrico.

La MAM purificata dal frazionamento subcellulare ha dimostrato di essere arricchita in enzimi coinvolti nello scambio di fosfolipidi, oltre ai canali associati alla segnalazione del Ca2+. La membrana ER associata ai mitocondri (MAM) è un altro elemento strutturale che è sempre più riconosciuto per il suo ruolo critico nella fisiologia e nell’omeostasi cellulare. Una volta considerato un intoppo tecnico nelle tecniche di frazionamento cellulare, i presunti contaminanti di vescicole ER che invariabilmente apparivano nella frazione mitocondriale sono stati re-identificati come strutture membranose derivate dalla MAM, l’interfaccia tra i mitocondri e l’ER. L’accoppiamento fisico tra questi due organelli era stato precedentemente osservato nelle micrografie elettroniche e più recentemente è stato sondato con la microscopia a fluorescenza. Tali studi stimano che al MAM, che può comprendere fino al 20% della membrana esterna mitocondriale, l’ER e i mitocondri sono separati da soli 10-25 nm e tenuti insieme da complessi di legami proteici.

Questa capacità di traffico dipende dal MAM, che ha dimostrato di facilitare il trasferimento di intermedi lipidici tra organelli. In contrasto con il meccanismo vescicolare standard di trasferimento dei lipidi, l’evidenza indica che la vicinanza fisica dell’ER e delle membrane mitocondriali al MAM permette il flipping dei lipidi tra bilayer opposti. Nonostante questo meccanismo insolito e apparentemente energeticamente sfavorevole, tale trasporto non richiede ATP. Invece, nel lievito, è stato dimostrato che dipende da una struttura di collegamento multiproteica denominata struttura di incontro ER-mitocondri, o ERMES, anche se non è ancora chiaro se questa struttura media direttamente il trasferimento dei lipidi o è necessaria per mantenere le membrane sufficientemente vicine per abbassare la barriera energetica per il capovolgimento dei lipidi.

Un ruolo critico per l’ER nella segnalazione del calcio è stato riconosciuto prima che un tale ruolo per i mitocondri fosse ampiamente accettato, in parte perché la bassa affinità dei canali del Ca2+ localizzati alla membrana mitocondriale esterna sembravano contraddire la presunta reattività di questo organello ai cambiamenti del flusso intracellulare di Ca2+. Ma la presenza del MAM risolve questa apparente contraddizione: la stretta associazione fisica tra i due organelli si traduce in microdomini di Ca2+ nei punti di contatto che facilitano un’efficiente trasmissione del Ca2+ dalla ER ai mitocondri. La trasmissione avviene in risposta ai cosiddetti “sbuffi di Ca2+” generati dal raggruppamento spontaneo e dall’attivazione di IP3R, un canale canonico del Ca2+ della membrana ER.

Le proprietà della pompa del Ca2+ SERCA e del canale IP3R presenti sulla membrana ER facilitano la regolazione di feedback coordinata dalla funzione MAM. In particolare, l’eliminazione del Ca2+ da parte della MAM permette un patterning spazio-temporale della segnalazione del Ca2+ perché il Ca2+ altera l’attività dell’IP3R in modo bifasico. Anche il SERCA è influenzato dal feedback mitocondriale: l’assorbimento di Ca2+ da parte del MAM stimola la produzione di ATP, fornendo così energia che permette al SERCA di ricaricare l’ER con Ca2+ per continuare l’efflusso di Ca2+ al MAM. Quindi, la MAM non è un buffer passivo per gli sbuffi di Ca2+; piuttosto aiuta a modulare ulteriori segnalazioni di Ca2+ attraverso cicli di feedback che influenzano la dinamica dell’ER.

La regolazione del rilascio di Ca2+ dall’ER alla MAM è particolarmente critica perché solo una certa finestra di assorbimento di Ca2+ sostiene i mitocondri, e di conseguenza la cellula, in omeostasi. Una segnalazione sufficiente di Ca2+ intraorganellare è necessaria per stimolare il metabolismo attivando gli enzimi deidrogenasi critici per il flusso attraverso il ciclo dell’acido citrico. Tuttavia, una volta che la segnalazione di Ca2+ nei mitocondri supera una certa soglia, stimola la via intrinseca dell’apoptosi in parte facendo crollare il potenziale di membrana mitocondriale richiesto per il metabolismo. Gli studi che esaminano il ruolo dei fattori pro- e anti-apoptotici supportano questo modello; per esempio, il fattore anti-apoptotico Bcl-2 ha dimostrato di interagire con IP3Rs per ridurre il riempimento di Ca2+ dell’ER, portando a un ridotto efflusso al MAM e impedendo il collasso del potenziale di membrana mitocondriale dopo gli stimoli apoptotici. Data la necessità di una tale regolazione fine della segnalazione del Ca2+, è forse sorprendente che la disregolazione del Ca2+ mitocondriale sia stata implicata in diverse malattie neurodegenerative, mentre il catalogo dei soppressori di tumori include alcuni che sono arricchiti al MAM.

…di più

Lisosoma e apoptosi

Ruolo dell’autofagia nel cancro

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

Autofagia è una via di degradazione cellulare per l’eliminazione di proteine e organelli danneggiati o superflui. Il riciclaggio di questi costituenti intracellulari serve anche come fonte di energia alternativa durante i periodi di stress metabolico per mantenere l’omeostasi e la vitalità. Nelle cellule tumorali con difetti di apoptosi, l’autofagia permette una sopravvivenza prolungata. Paradossalmente, i difetti di autofagia sono associati a un aumento della tumorigenesi, ma il meccanismo alla base di ciò non è stato determinato. Prove recenti suggeriscono che l’autofagia fornisce una funzione protettiva per limitare la necrosi tumorale e l’infiammazione, e per mitigare i danni al genoma nelle cellule tumorali in risposta allo stress metabolico.

L’attivazione sostenuta di mTORC1 nel muscolo scheletrico inibisce l’autofagia costitutiva e indotta dalla fame e causa una grave miopatia ad insorgenza tardiva

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
metabolismo cellulare 7 maggio, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• l’inibizione di mTORC1 è necessaria per l’autofagia costitutiva e indotta dalla fameindotta dalla fame
• L’attivazione prolungata di mTORC1 causa una grave miopatia dovuta alla compromissione dell’autofagia
• La deplezione di TSC1 è sufficiente per attivare mTORC1 indipendentemente da altri stimoli
• l’inattivazione di mTORC1 è sufficiente per innescare la lipidazione di LC3

L’autofagia è un processo catabolico che assicura l’eliminazione omeostatica delle cellule ed è deregolata in un numero crescente di condizioni miopatologiche. Anche se FoxO3 ha dimostrato di promuovere l’espressione dei geni legati all’autofagia nel muscolo scheletrico, i meccanismi che innescano l’autofagia non sono chiari. Mostriamo che i topi carenti di TSC1 (TSCmKO), caratterizzati da un’attivazione sostenuta di mTORC1, sviluppano una miopatia a esordio tardivo legata a un’autofagia alterata. Nei giovani topi TSCmKO,

• l’autofagia costitutiva e indotta dalla fame è bloccata nelle fasi di induzione tramite
• inibizione mTORC1-mediata di Ulk1, nonostante l’attivazione di FoxO3.

La rapamicina è sufficiente per ripristinare l’autofagia nei topi TSCmKO e

• migliora il fenotipo muscolare dei vecchi topi mutanti.

Inversamente, l’abrogazione della segnalazione mTORC1 tramite

• deplezione di raptor induce l’autofagia indipendentemente dall’inibizione di FoxO.

Quindi, mTORC1 è il regolatore dominante dell’induzione dell’autofagia nel muscolo scheletrico e

• garantisce uno stretto coordinamento delle vie metaboliche.

Questi risultati possono aprire strade interessanti per strategie terapeutiche dirette verso malattie muscolari legate all’autofagia.

Le istone deacetilasi 1 e 2 regolano il flusso di autofagia e l’omeostasi del muscolo scheletrico nei topi

HDAC1 attiva FoxO ed è sufficiente e necessario per l’atrofia del muscolo scheletrico

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

I fattori di trascrizione Forkhead box O (FoxO) sono attivati, e necessari per l’atrofia muscolare, in diverse condizioni fisiopatologiche, tra cui il disuso muscolare e la cachessia da cancro. Tuttavia, i meccanismi che portano all’attivazione di FoxO non sono ben definiti. Dati recenti dal nostro laboratorio e da altri indicano che

• l’attività di FoxO è repressa in condizioni basali attraverso l’acetilazione reversibile della lisina,
• che diventa compromessa durante le condizioni cataboliche.

Quindi, abbiamo mirato a determinare come le proteine istone deacetilasi (HDAC) contribuiscono a

• attivazione di FoxO e l’induzione del programma di atrofia muscolare.

Attraverso l’uso di vari inibitori farmacologici per bloccare l’attività delle HDAC, abbiamo dimostrato che

• le HDAC di classe I sono regolatori chiave di FoxO e del programma di atrofia muscolare
• durante la privazione di nutrienti e il disuso del muscolo scheletrico.

Inoltre, abbiamo dimostrato, attraverso l’uso di plasmidi di espressione HDAC1 wild-type e dominante-negativo,

• che HDAC1 è sufficiente per attivare FoxO e indurre l’atrofia delle fibre muscolari in vivo e
• è necessario per l’atrofia delle fibre muscolari che è associata al disuso muscolare.

La capacità di HDAC1 di causare l’atrofia muscolare richiede la sua attività di deacetilasi e

• è legata all’induzione di diversi geni dell’atrofia da parte di HDAC1,
• tra cui atrogin-1, che richiede la deacetilazione di FoxO3a.

Inoltre, l’inibizione farmacologica delle HDAC di classe I durante il disuso muscolare, utilizzando MS-275,

• ha attenuato significativamente sia l’atrofia delle fibre muscolari in disuso che la disfunzione contrattile.

Insieme, questi dati consolidano l’importanza delle HDAC di classe I nel programma di atrofia muscolare e

• indicano che gli inibitori delle HDAC di classe I sono contromisure fattibili per impedire l’atrofia e la debolezza muscolare.

L’autofagia è un processo vescicolare per la degradazione lisosomiale degli aggregati proteici e

• degli organelli danneggiati o ridondanti.

L’autofagia gioca un ruolo importante nell’omeostasi cellulare, e ci sono prove che

• questo processo è disregolato nelle cellule tumorali.

Recenti studi preclinici in vitro hanno indicato che l’autofagia è

• coinvolta nella risposta citotossica ai chemioterapici nelle cellule del cancro della tiroide.

Inoltre, diversi oncogeni e geni oncosoppressori implicati nella carcinogenesi tiroidea

• hanno anche un ruolo nella regolazione dell’autofagia.

Inoltre, anche alcuni modulatori epigenetici coinvolti nella carcinogenesi tiroidea influenzano l’autofagia. In questa revisione, evidenziamo i fattori genetici ed epigenetici che

• meccanicamente collegano la carcinogenesi tiroidea e l’autofagia, sostanziando così il razionale per
• una terapia mirata all’autofagia dei tumori tiroidei aggressivi e radio-chemio-resistenti.