Mitocondri, fosforilazione ossidativa e ROS mitocondriali e patologie

Processo di interazione tra rame e ferro nella regione Cu - Fe di eme a3

In una nuova regione binucleare, la regione Cu - Fe di eme a3, il rame e il ferro del gruppo emea3 interagiscono indirettamente, perché ognuno di loro è legato ad un atomo di ossigeno. I due atomi di ossigeno, a loro volta, sono legati da un legame covalente multiplo omopolare. La regione nella quale è presente l'ossigeno molecolare intercetta i 4 elettroni derivati dall'ossidazione di quattro molecole di citocromo c1 e quattro protoni introdotti dal complesso IV, formando così due molecole di H2O.

Ultimo stadio della fosforilazione ossidativa - Motore molecolare dell'ATP sintetasi

La catena di trasporto degli elettroni è un processo fisiologico e molecolare di grande rilevanza in quanto, grazie a questo, fra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale interna, si crea un importante gradiente elettrochimico che è alla base della generazione di una forza protone motrice. Il gradiente elettrochimico fa riferimento

Tanto alla differenza di carica che sussiste fra i due micro ambienti (gradiente elettrico e differenza di potenziale intermembrana), quanto alla differenza di concentrazione delle specie ioniche (gradiente chimico). La forza protone-motrice viene perfettamente sfruttata e al tempo stesso dissipata da un importante motore molecolare che prende il nome di ATP sintetasi. L'ATP sintetasi consiste di due regioni funzionali che rispondono a scopi differenti:

• Regione transmembrana F motore molecolare: si compone di un rotatore cilindrico, una subunità 0 vincolante ed uno statore. La subunità vincolante è la subunità di tipo a. Essa indirizza il flusso protonico verso il rotatore cilindrico. Il motore molecolare transmembrana conta dalle 10 alle 12 subunità di tipo c. Il rotatore è connesso ad un'asse portante centrale che lo mette meccanicamente in comunicazione con il generatore molecolare. Lo statore mantiene in asse l'intera

impalcatura motrice.

• Regione idrofilica F generatore molecolare: si compone di un vero e proprio generatore di energia, a livello del quale viene prodotto ATP, che consiste di sei subunità ellissoidali, tre alfa e tre beta, alternate. Il generatore recepisce l'effetto meccanico rotatorio grazie ad un'asse ed un perno di connessione, rispettivamente subunità gamma ed epsilon. Una subunità delta consente la comunicazione di F con lo statore. La rotazione dell'asse induce un cambiamento conformazionale ciclico delle subunità beta, e non una rotazione delle alfa e delle beta.
• Lo statore serve per mantenere in posizione le subunità alfa e beta, senza che esse ruotino con l'asse gamma, che a sua volta ruota per effetto del rotatore cilindrico. Il sito catalitico di produzione dell'ATP è localizzato esclusivamente nelle subunità beta. Il sito catalitico delle subunità beta cambia

DI DARIO SANTULLI

ciclicamente la propria conformazione a seconda della rotazione dell'asse gamma. Importante: le subunità beta e le subunità alfa mantengono sempre la loro posizione; a cambiare è solamente la conformazione dei siti catalitici delle subunità beta! Il meccanismo di conversione dell'energia meccanica in energia chimica prende il nome di catalasi rotazionale, e segue questi passaggi:

1. Conformazione O - Open/Aperta: alla prima rotazione la conformazione aperta consente l'ingresso, nel sito catalitico della subunità beta, di un gruppo fosfato e dell'adenosindifosfato (ADP + Pi)
2. Conformazione L - Light/Lassa: alla seconda rotazione si favorisce l'associazione dei substrati, impedendo che essi possano fuoriuscire dal macchinario molecolare.
3. Conformazione T - Tight/Stretta: alla terza rotazione la conformazione assunta dal sito catalitico consente la produzione del legame fosfoanidridico fra il fosfato beta ed il fosfato gamma

della nuovamolecola di ATP.

4. Conformazione O - Open/Aperta: alla quarta rotazione, la conformazione consente il rilascio dellamolecola di adenosintrifosfato nella matrice mitocondriale e l'associazione al sito catalitico di nuovesubunità.

Mitocondrio - centrale di produzione dei ROS. Si stima che circa il 90% dei radicali liberi dell'ossigeno presenti all'interno di una cellula vengono prodotti al livello mitocondriale, più particolarmente durante il processo di respirazione cellulare, nell'ambito della catena di trasporto degli elettroni. Circa dallo 0.2% al 2% dell'ossigeno molecolare regolarmente sfruttato dai mitocondri per eseguire l'attività metabolica, viene convertito in anione superossido, il quale a sua volta, tramite specifici enzimi, viene trasformato in perossido di idrogeno o anione ossidrile.

Molti dei radicali liberi dell'ossigeno costituiscono dei sottoprodotti dell'attività del complesso I.

(NADHdeidrogenasi o CoQ reduttasi), complesso II (succinato deidrogenasi o succinato-CoQ reduttasi) o complessoIII (Ubichinone-citocromo c1 ossidoreduttasi) della catena di trasporto degli elettroni. Dal complesso I e II iradicali vengono immessi nella matrice, mentre il complesso III può emettere radicali sia nello spaziointermembrana che nella matrice interna. A livello della matrice mitocondriale, l'anione superossido puòessere dismutato in perossido di idrogeno (H O ) dalla superossidodismutasi mitocondriale (mtSOD); nel2 2caso in cui l'anione superossido sia stato veicolato all'interno dello spazio intermembrana, esso vienedismutato dalla Cu/Zn SOD. L’acqua ossigenata viene poi trasformata in acqua e ossigeno molecolare daenzimi come la catalasi, la glutatione perossidasi o la tioredossina.Enzimi come la catalasi, la SOD, la glutatione perossidasi, e molecole organiche come quelle vitaminicherientrano nell’insieme di importanti sistemi

Antiossidanti di cui si dispone a livello endogeno, che difendono l'organismo da possibili effetti lesivi che derivano dall'interazione dei radicali liberi con proteine, lipidi o acidi nucleici.

Mitocondrio - centrale di avvio del processo apoptotico

Il mitocondrio risulta essere uno dei principali organelli coinvolti nel processo di suicidio cellulare programmato, a seguito del rilascio di citocromo C all'interno dell'ambiente citoplasmatico. La morte cellulare è un evento che può subentrare in determinate circostanze per ragioni differenti:

1. Evento necrotico: la necrosi è una forma di morte cellulare passiva che subentra non per cause naturali, quindi a seguito dell'esposizione del tessuto organico ad agenti patogeni che ne compromettono le funzionalità. La cellula inizia ad aumentare di volume fintanto che, a seguito dell'elevata tensione meccanica esercitata sulle pareti interne della membrana cellulare, essa esplode rilasciando

il contenuto citoplasmatico all'interno dell'ambiente circostante, scatenando così la risposta infiammatoria.

2. Evento apoptotico: l'apoptosi è un suicidio cellulare programmato, cioè un processo attivo che la cellula avvia in determinate circostanze. L'apoptosi ha una grandissima importanza biologica in tantissimi ambiti, fra i quali i processi di sviluppo embrionale, gli eventi di omeostasi tissutale e l'eliminazione definitiva di cellule portatrici di errori genomici irreparabili. L'apoptosi è un evento che consiste in una serie ordinata di processi di degradazione che non attivano una risposta infiammatoria. Il suicidio cellulare richiede l'intervento di particolari proteine pro-apoptotiche, enzimi proteolitici come le caspasi, che possiedono una cisteina nel sito attivo, ed altre macromolecole, come le proteine liberate dai mitocondri (come gli enzimi della classe endonucleasi).

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Ragionando in maniera inversa,

è bene che la cellula continui a ricevere segnali che le consentano di proseguire nell'esecuzione delle tipiche attività metaboliche e di sintesi proteica, cioè segnali che favoriscano la prosecuzione del ciclo cellulare: fattori di crescita, segnali di adesione cellula-cellula ecc. L'apoptosi è un processo vitale per lo sviluppo dell'organismo e per la sua fisiologia; ad esempio risulta necessaria durante lo sviluppo embrionale, nella regolazione del sistema immunitario, nel controllo del numero di neuroni durante la neurogenesi o nel rinnovamento del pavimento cellulare. Caspasi Le caspasi sono enzimi ad attività proteolitica controllata, che espletano la propria attività soprattutto nel processo apoptotico. Il termine C-ASP-ASI sta per cisteina-aspartato-proteasi, quindi fornisce preziose informazioni relativamente alle caratteristiche di questi catalizzatori ad attività litica. La cisteina rappresenta quel residuo.

amminoacidico presente a livello del sito attivo dell'enzima. L'aspartato invece rappresenta quel residuo aa. in prossimità del quale le caspasi effettuano dei tagli di degradazione.

Caspasi iniziatrici: le caspasi iniziatrici tagliano pre-forme inattivate delle caspasi effettrici, determinandone un'attivazione. Caspasi 2,8,9 (attivata dal citocromo c) e 10.

Caspasi effettrici: sono tutti quegli enzimi che di fatto operano dei tagli a livello di residui di acido aspartico di specifiche proteine. Sono comprese le caspasi 3, 6 e 7.

Vie di attivazione dell'apoptosi

1. Via estrinseca: fa riferimento ad una serie di meccanismi di attivazione dell'apoptosi che provengono dall'esterno della cellula. I processi estrinseci più studiati sono quelli connessi al fattore TNF-alfa e Fas-L. TNF-alfa, fattore di necrosi tumorale, è una citochina infiammatoria ed un pirogeno endogeno prodotto dai macrofagi in risposta ad alterazioni cellulari rischiose.

TNF è un inibitore dell'acarcinogenesi per il quale esistono due recettori, TNF-R1 e TNF-R2. Il legame TNF-alfa - TNF-R1 attiva la cascata delle caspasi.

2. Via intrinseca: la via intrinseca fa riferimento ad una serie di segnali intracellulari che inducono la cellula ad avviare la cascata delle caspasi. La via intrinseca viene innescata in caso di danni irreversibili del materiale genetico o di alcune strutture cellulari non riparabili. Molto spesso vengono attivati dei geni codificanti per proteine che modificano la struttura della membrana interna mitocondriale, favorendo il rilascio del citocromo c, a sua volta attivatore della caspasi iniziatrice 9. A livello del DNA è presente una famiglia di geni della classe Bcl-2, codificanti sia per proteine pro-apoptotiche che per proteine anti-apoptotiche. Nell'ambito delle pro-apoptotiche si ricorda Bax, una proteina della famiglia delle Bcl-2 la cui espressione è severamente regolata dal fattore di trascrizione.

cogene.