Summary of Cell Structure, Anatomic Correlates of Metabolic Function

Autor și curator: Prof. dr: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Acest capitol a fost preocupat de ultrastructura subcelulară a organitelor și, important, de funcția acestora. Nu există deșeuri în structura celulară. Nucleul are instrucțiunile necesare pentru a îndeplini funcțiile celulei. În celula eucariotă există o diferențiere semnificativă, astfel încât celulele sunt reglementate pentru nevoile pe care le îndeplinesc în mod unic. Atunci când există o dereglare, aceasta duce la remodelare sau la moarte celulară.

În cele ce urmează voi nota câteva repere ale acestui capitol.

1. În fiecare aspect al funcției celulare, sunt implicate proteine înglobate în structură, pentru o funcționare cât mai eficientă.
2. Reglarea metabolică este dependentă de căi care sunt tot legături de proteine.
3. Utilizarea energiei este dependentă de reacții enzimatice, care implică adesea ioni metalici esențiali cu număr mare de valențe, ceea ce facilitează legarea covalentă și anionică și are un rol esențial în alostericitate.

Mitocondrii

Mitocondriile au un diametru cuprins între 0,5 și 1,0 micrometru (μm). Aceste structuri sunt uneori descrise drept „centrale electrice celulare”, deoarece generează cea mai mare parte a rezervei de adenozin trifosfat (ATP) a celulei, utilizat ca sursă de energie chimică. Pe lângă furnizarea de energie celulară, mitocondriile sunt implicate în alte sarcini, cum ar fi semnalizarea, diferențierea celulară, moartea celulară, precum și controlul ciclului celular și al creșterii celulare. Mitocondriile au fost implicate în mai multe boli umane, inclusiv tulburări mitocondriale și disfuncții cardiace.

Numărul de mitocondrii dintr-o celulă poate varia foarte mult în funcție de organism, țesut și tip de celulă. De exemplu, celulele roșii din sânge nu au mitocondrii, în timp ce celulele hepatice pot avea mai mult de 2000. Organela este compusă din compartimente care îndeplinesc funcții specializate. Aceste compartimente sau regiuni includ membrana externă, spațiul intermembranar, membrana internă, precum și cristele și matricea. Proteinele mitocondriale variază în funcție de țesut și de specie. Se consideră că proteomul mitocondrial este reglat în mod dinamic. Deși cea mai mare parte a ADN-ului unei celule este conținută în nucleul celular, mitocondria are propriul său genom independent. Mai mult, ADN-ul său prezintă o asemănare substanțială cu genomurile bacteriene.

În 1913, particule din extracte de ficat de cobai au fost legate de respirație de către Otto Heinrich Warburg, pe care le-a numit „grana”. Warburg și Heinrich Otto Wieland, care a postulat și el un mecanism similar de particule, nu au fost de acord cu privire la natura chimică a respirației. Abia în 1925, când David Keilin a descoperit citocromii, a fost descris lanțul respirator. În 1939, experimentele efectuate cu celule musculare tocate au demonstrat că un atom de oxigen poate forma două molecule de adenozin trifosfat, iar, în 1941, conceptul că legăturile de fosfat reprezintă o formă de energie în metabolismul celular a fost dezvoltat de Fritz Albert Lipmann. În anii următori, mecanismul din spatele respirației celulare a fost elaborat în continuare, deși nu se cunoștea legătura sa cu mitocondriile. Introducerea fracționării țesuturilor de către Albert Claude a permis izolarea mitocondriilor de alte fracțiuni celulare și efectuarea de analize biochimice numai pe acestea. În 1946, el a concluzionat că citocrom oxidaza și alte enzime responsabile de lanțul respirator erau izolate în mitocondrii.

Primile micrografii de înaltă rezoluție au apărut în 1952, înlocuind petele Janus Green ca modalitate preferată de vizualizare a mitocondriilor. Aceasta a dus la o analiză mai detaliată a structurii mitocondriilor, inclusiv la confirmarea faptului că acestea erau înconjurate de o membrană. De asemenea, a arătat că în interiorul mitocondriilor există o a doua membrană care se pliază în crestături care împart camera interioară și că dimensiunea și forma mitocondriilor variază de la o celulă la alta. În 1967, s-a descoperit că mitocondriile conțin ribozomi. În 1968, au fost dezvoltate metode de cartografiere a genelor mitocondriale, harta genetică și fizică a mitocondriilor de drojdie fiind finalizată în 1976.

O mitocondrie conține membrane exterioare și interioare compuse din bicapace de fosfolipide și proteine. Cele două membrane au proprietăți diferite. Din cauza acestei organizări cu membrană dublă, există cinci părți distincte ale unei mitocondrii. Acestea sunt:

1. membrana mitocondrială exterioară,
2. spațiul intermembranar (spațiul dintre membrana exterioară și cea interioară),
3. membrana mitocondrială interioară,
4. spațiul cristei (format de pliurile membranei interioare) și
5. matricea (spațiul din interiorul membranei interioare).

Mitocondriile dezbrăcate de membrana lor externă se numesc mitoplaste.

Ultrastructura mitocondriilor (diagramă interactivă) O mitocondrie are o membrană dublă; cea internă conține aparatul chemiosmotic și are caneluri adânci care îi măresc suprafața. Deși este descrisă în mod obișnuit ca un „cârnat portocaliu cu o pată înăuntru” (așa cum este aici), mitocondria poate lua multe forme, iar spațiul lor intermembranar este destul de subțire.

Spațiul intermembranar este spațiul dintre membrana externă și membrana internă. Este cunoscut și sub denumirea de spațiu perimitochondrial. Deoarece membrana exterioară este liber permeabilă la moleculele mici, concentrațiile de molecule mici, cum ar fi ionii și zaharurile, în spațiul intermembranar sunt aceleași cu cele din citosol. Cu toate acestea, proteinele mari trebuie să aibă o secvență de semnalizare specifică pentru a fi transportate prin membrana externă, astfel încât compoziția proteică a acestui spațiu este diferită de compoziția proteică a citosolului. O proteină care este localizată în acest mod în spațiul intermembranar este citocromul c.

Membrana mitocondrială internă conține proteine cu cinci tipuri de funcții:

1. Cele care realizează reacțiile redox ale fosforilării oxidative
2. ATP-sintetaza, care generează ATP în matrice
3. Proteine de transport specifice care reglează trecerea metaboliților în și din matrice
4. Mecanism de import al proteinelor.
5. Proteine de fuziune și fisiune a mitocondriilor.

Conține mai mult de 151 de polipeptide diferite și are un raport foarte mare între proteine și fosfolipide (mai mult de 3:1 în greutate, ceea ce înseamnă aproximativ 1 proteină la 15 fosfolipide). Membrana internă găzduiește aproximativ 1/5 din totalul proteinelor dintr-o mitocondrie. În plus, membrana internă este bogată într-un fosfolipid neobișnuit, cardiolipina. Acest fosfolipid a fost descoperit inițial în 1942 în inimile de vacă și este de obicei caracteristic membranelor plasmatice mitocondriale și bacteriene. Cardiolipina conține patru acizi grași, în loc de doi, și poate contribui la impermeabilizarea membranei interne. Spre deosebire de membrana externă, membrana internă nu conține porine și este foarte impermeabilă la toate moleculele. Aproape toți ionii și moleculele au nevoie de transportatori membranari speciali pentru a intra sau ieși din matrice. Proteinele sunt transportate în matrice prin intermediul complexului translocazei membranei interne (TIM) sau prin Oxa1. În plus, există un potențial de membrană de-a lungul membranei interne, format prin acțiunea enzimelor lanțului de transport al electronilor.

Membrana mitocondrială internă este compartimentată în numeroase cristae, care extind suprafața membranei mitocondriale interne, sporind capacitatea acesteia de a produce ATP. Pentru mitocondriile hepatice tipice, suprafața membranei interne este de aproximativ cinci ori mai mare decât cea a membranei externe. Acest raport este variabil, iar mitocondriile din celulele care au o cerere mai mare de ATP, cum ar fi celulele musculare, conțin chiar mai multe cristee. Aceste falduri sunt împânzite de mici corpuri rotunde cunoscute sub numele de particule F1 sau oxisomi. Acestea nu sunt simple pliuri aleatorii, ci mai degrabă invaginații ale membranei interne, care pot afecta funcția chemiosmotică globală. Un studiu recent de modelare matematică a sugerat că proprietățile optice ale cristei din mitocondriile filamentoase pot afecta generarea și propagarea luminii în interiorul țesutului.

Matricea este spațiul închis de membrana internă. Ea conține aproximativ 2/3 din totalul proteinelor dintr-o mitocondrie. Matricea este importantă în cadrul MAM este îmbogățită în enzime implicate în biosinteza lipidelor, cum ar fi fosfatidilserina-sintetaza de pe fața ER și fosfatidilserina decarboxilaza de pe fața mitocondrială. Deoarece mitocondriile sunt organite dinamice care suferă în mod constant evenimente de fisiune și fuziune, acestea au nevoie de un aport constant și bine reglat de fosfolipide pentru integritatea membranei. Dar mitocondriile nu sunt doar o destinație pentru fosfolipidele a căror sinteză o finalizează; mai degrabă, acest organel joacă, de asemenea, un rol în traficul inter-organel al intermediarilor și produselor căilor de biosinteză a fosfolipidelor, în metabolismul ceramidelor și al colesterolului și în anabolismul glicozipidic producția de ATP cu ajutorul ATP-sintezei conținute în membrana internă. Matricea conține un amestec foarte concentrat de sute de enzime, ribozomi mitocondriali speciali, ARNt și mai multe copii ale genomului ADN mitocondrial. Dintre enzime, funcțiile majore includ oxidarea piruvatului și a acizilor grași, precum și ciclul acidului citric.

MAM purificată din fracționarea subcelulară s-a dovedit a fi îmbogățită în enzime implicate în schimbul de fosfolipide, pe lângă canalele asociate cu semnalizarea Ca2+. Membrana ER asociată mitocondriei (MAM) este un alt element structural care este din ce în ce mai recunoscut pentru rolul său critic în fiziologia și homeostazia celulară. Considerate cândva un obstacol tehnic în tehnicile de fracționare celulară, presupusele vezicule contaminante ale ER care apăreau invariabil în fracția mitocondrială au fost reidentificate ca structuri membranare derivate din MAM – interfața dintre mitocondrii și ER. Cuplarea fizică dintre aceste două organite fusese observată anterior în micrografiile electronice și a fost cercetată mai recent cu ajutorul microscopiei cu fluorescență. Astfel de studii estimează că la MAM, care poate cuprinde până la 20% din membrana exterioară mitocondrială, RE și mitocondriile sunt separate de doar 10-25 nm și sunt ținute împreună de complexe proteice de fixare.

O astfel de capacitate de trafic depinde de MAM, care s-a demonstrat că facilitează transferul de intermediari lipidici între organite. Spre deosebire de mecanismul vezicular standard al transferului de lipide, dovezile indică faptul că proximitatea fizică a membranelor ER și mitocondriale la MAM permite răsturnarea lipidelor între bicapacele opuse. În ciuda acestui mecanism neobișnuit și aparent nefavorabil din punct de vedere energetic, un astfel de transport nu necesită ATP. În schimb, la drojdie, s-a demonstrat că acesta depinde de o structură de legare multiproteică denumită structura de întâlnire ER-mitocondrie sau ERMES, deși rămâne neclar dacă această structură mediază în mod direct transferul de lipide sau este necesară pentru a menține membranele suficient de apropiate pentru a reduce bariera energetică pentru răsturnarea lipidelor.

Un rol critic pentru ER în semnalizarea calciului a fost recunoscut înainte ca un astfel de rol pentru mitocondrii să fie acceptat pe scară largă, în parte pentru că afinitatea scăzută a canalelor de Ca2+ localizate pe membrana mitocondrială externă părea să contrazică pretinsa receptivitate a acestui organit la modificările fluxului intracelular de Ca2+. Dar prezența MAM rezolvă această contradicție aparentă: asocierea fizică strânsă dintre cele două organite are ca rezultat microdomeni de Ca2+ în punctele de contact care facilitează transmiterea eficientă a Ca2+ de la ER la mitocondrii. Transmisia are loc ca răspuns la așa-numitele „bufeuri de Ca2+” generate de gruparea și activarea spontană a IP3R, un canal de Ca2+ canonic al membranei ER.

Proprietățile pompei de Ca2+ SERCA și ale canalului IP3R prezent pe membrana ER facilitează reglarea prin feedback coordonată de funcția MAM. În special, eliminarea Ca2+ de către MAM permite modelarea spațio-temporală a semnalizării Ca2+ deoarece Ca2+ modifică activitatea IP3R într-o manieră bifazică. SERCA este, de asemenea, afectată de feedback-ul mitocondrial: absorbția de Ca2+ de către MAM stimulează producția de ATP, furnizând astfel energie care permite SERCA să reîncarce ER cu Ca2+ pentru a continua efluxul de Ca2+ la MAM. Astfel, MAM nu este un amortizor pasiv pentru pufurile de Ca2+; mai degrabă ajută la modularea semnalizării ulterioare a Ca2+ prin bucle de feedback care afectează dinamica ER.

Reglarea eliberării de Ca2+ de către ER la MAM este deosebit de critică deoarece doar o anumită fereastră de absorbție a Ca2+ susține mitocondriile și, în consecință, celula, la homeostazie. Este necesară o semnalizare suficientă a Ca2+ în interiorul organitei pentru a stimula metabolismul prin activarea enzimelor dehidrogenaze critice pentru fluxul prin ciclul acidului citric. Cu toate acestea, odată ce semnalizarea Ca2+ în mitocondrii depășește un anumit prag, aceasta stimulează calea intrinsecă a apoptozei, în parte prin prăbușirea potențialului membranei mitocondriale necesar pentru metabolism. Studiile care examinează rolul factorilor pro- și anti-apoptotici susțin acest model; de exemplu, s-a demonstrat că factorul anti-apoptotic Bcl-2 interacționează cu IP3R pentru a reduce umplerea cu Ca2+ a ER, ceea ce duce la reducerea efluxului la MAM și previne prăbușirea potențialului membranei mitocondriale în urma stimulilor apoptotici. Având în vedere necesitatea unei reglări atât de fine a semnalizării Ca2+, poate că nu este surprinzător faptul că o dereglare a Ca2+ mitocondrial a fost implicată în mai multe boli neurodegenerative, în timp ce catalogul de supresori tumorali include câțiva care sunt îmbogățiți la MAM.

…more

Lysosome and Apoptosis

Rolul autofagiei în cancer

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

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

Autofagia este o cale de degradare celulară pentru eliminarea proteinelor și organitelor deteriorate sau superflue. Reciclarea acestor constituenți intracelulari servește, de asemenea, ca sursă alternativă de energie în timpul perioadelor de stres metabolic pentru a menține homeostazia și viabilitatea. În cazul celulelor tumorale cu defecte în ceea ce privește apoptoza, autofagia permite o supraviețuire prelungită. În mod paradoxal, defectele de autofagie sunt asociate cu o tumorigeneză crescută, dar mecanismul care stă la baza acestui lucru nu a fost determinat. Dovezi recente sugerează că autofagia asigură o funcție protectoare pentru a limita necroza tumorală și inflamația și pentru a atenua deteriorarea genomului în celulele tumorale ca răspuns la stresul metabolic.

Susținerea activării mTORC1 în mușchiul scheletic inhibă autofagia constitutivă și indusă de foame și provoacă o miopatie severă, cu debut tardiv

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

• inhibarea mTORC1 este necesară pentru constituția și înfometarea…indusă de înfometare
• Activarea susținută a mTORC1 provoacă o miopatie severă datorată afectării autofagiei
• Depleția de STC1 este suficientă pentru a activa mTORC1 indiferent de alți stimuli
• mTORC1 inactivarea este suficientă pentru a declanșa lipidarea LC3

Autofagia este un proces catabolic care asigură eliminarea homeostatică a celulelor și care este dereglementat într-un număr tot mai mare de afecțiuni miopatologice. Deși s-a demonstrat că FoxO3 promovează expresia genelor legate de autofagie în mușchiul scheletic, mecanismele care declanșează autofagia sunt neclare. Noi arătăm că șoarecii cu deficit de TSC1 (TSCmKO), caracterizați prin activarea susținută a mTORC1, dezvoltă o miopatie cu debut tardiv legată de autofagia afectată. La șoarecii TSCmKO tineri,

• autofagia constitutivă și indusă de înfometare este blocată în etapele de inducție prin
• inhibarea lui Ulk1 mediată de mTORC1, în ciuda activării lui FoxO3.

Rapamicina este suficientă pentru a restabili autofagia la șoarecii TSCmKO și

• îmbunătățește fenotipul muscular al șoarecilor mutanți bătrâni.

În schimb, abrogarea semnalizării mTORC1 prin

• depleția de raptor induce autofagia indiferent de inhibarea FoxO.

Atunci, mTORC1 este regulatorul dominant al inducerii autofagiei în mușchiul scheletic și

• asigură o coordonare strânsă a căilor metabolice.

Aceste constatări pot deschide căi interesante pentru strategii terapeutice îndreptate spre bolile musculare legate de autofagie.

Histone deacetilazele 1 și 2 reglează fluxul autofagiei și homeostazia mușchilor scheletici la șoareci

HDAC1 activează FoxO și este atât suficientă cât și necesară pentru atrofia mușchilor scheletici

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

Factorii de transcripție Forkhead box O (FoxO) sunt activați și sunt necesari pentru atrofia musculară în mai multe condiții fiziopatologice, inclusiv dezactivarea mușchilor și cașexia cancerului. Cu toate acestea, mecanismele care duc la activarea FoxO nu sunt bine definite. Date recente din laboratorul nostru și altele indică faptul că

• activitatea lui FoxO este reprimată în condiții bazale prin acetilarea reversibilă a lizinei,
• care devine compromisă în condiții catabolice.

De aceea, am urmărit să determinăm modul în care proteinele histone deacetilază (HDAC) contribuie la

• activarea lui FoxO și la inducerea programului de atrofie musculară.

Prin utilizarea diferiților inhibitori farmacologici pentru a bloca activitatea HDAC, demonstrăm că

• HDAC-urile din clasa I sunt regulatori cheie ai FoxO și ai programului de atrofie musculară
• atât în timpul deprivării de nutrienți, cât și în timpul dezactivării mușchilor scheletici.

În plus, demonstrăm, prin utilizarea plasmidelor de expresie a HDAC1 de tip sălbatic și dominant-negativ,

• că HDAC1 este suficientă pentru a activa FoxO și a induce atrofia fibrelor musculare in vivo și
• este necesară pentru atrofia fibrelor musculare care este asociată cu dezactivarea mușchilor.

Capacitatea HDAC1 de a provoca atrofie musculară a necesitat activitatea sa deacetilază și

• a fost legată de inducerea mai multor gene de atrofie de către HDAC1,
• inclusiv atrogin-1, care a necesitat deacetilarea lui FoxO3a.

Mai mult, inhibarea farmacologică a HDAC-urilor de clasă I în timpul dezactivării musculare, folosind MS-275,

• a atenuat semnificativ atât atrofia fibrelor musculare în timpul dezactivării cât și disfuncția contractilă.

Împreună, aceste date consolidează importanța HDAC-urilor de clasă I în programul de atrofie musculară și

• indică faptul că inhibitorii HDAC-urilor de clasă I sunt contramăsuri fezabile pentru a împiedica atrofia și slăbiciunea musculară.

Autofagia este un proces vezicular pentru degradarea lizozomală a agregatelor proteice și

• a organitelor deteriorate sau redundante.

Autofagia joacă un rol important în homeostazia celulară și există dovezi că

• acest proces este dereglementat în celulele canceroase.

Studii preclinice recente in vitro au indicat faptul că autofagia este

• implicată în răspunsul citotoxic la chimioterapice în celulele canceroase tiroidiene.

De fapt, mai multe oncogene și gene oncosupresoare implicate în carcinogeneza tiroidiană

• joacă, de asemenea, un rol în reglarea autofagiei.

În plus, unii modulatori epigenetici implicați în carcinogeneza tiroidiană influențează, de asemenea, autofagia. În această trecere în revistă, evidențiem factorii genetici și epigenetici care

• legă mecanic carcinogeneza tiroidiană și autofagia, fundamentând astfel raționamentul pentru
• o terapie țintită de autofagie a cancerelor tiroidiene agresive și radio-rezistente la chimioterapie.

.