Biologia animale 6

Apoptosi

In un tessuto adulto che deve rimanere stabile, alcune cellule andranno incontro a proliferazione quando è necessario mantenere l'omeostasi del tessuto a seguito di apoptosi di altre.

Cellule di un individuo

Cellule specializzate: si sono differenziate e hanno perso la capacità di dividersi, svolgono funzione altamente specializzata: cellule nervose, muscolari.

Differenziate: stanno nella fase G0 per un periodo, quindi normalmente non si dividono ma possono proliferare all’occorrenza in risposta ad uno stimolo. Cellule del fegato.

Staminali: attivamente proliferanti. Esempio cellule staminali nei tessuti epiteliali e nel midollo osseo, cellule germinali.

Queste cellule stanno alla base dell'omeostasi tessutale: controllo del numero e delle dimensioni cellulari. Ogni organismo pluricellulare è costituito da un numero fisso di cellule. Ogni organo raggiunge una dimensione definita che non deve variare. Le dimensioni del tessuto devono rimanere costanti. Il tessuto riesce a garantire questa omeostasi mediante la mediazione/l’equilibrio di questi processi:

• Differenziamento
• Proliferazione cellulare
• Apoptosi/morte cellulare

Cosa si intende per apoptosi e i meccanismi cellulari della morte programmata

Apoptosi = caduta delle foglie e dei petali dei fiori, indica il processo di morte programmata. La morte cellulare programmata non avviene solo nella vita adulta ma anche durante l'embriogenesi. Durante lo sviluppo embrionale, quando si sviluppa il sistema nervoso, si formano molti più neuroni di quelli che ci saranno nel cervello quando nasce. Magari prendono contatti diversi sbagliati. Questi neuroni vanno incontro a morte programmata così si instaurano i contatti sinaptici perfetti.

Perché una cellula va in apoptosi

• Durante l’embriogenesi è necessaria per un appropriato sviluppo. La formazione delle dita del feto richiede l’eliminazione di tessuto. Formazione della connessione perfette tra neuroni. Tutti i neuroni senza sinapsi perfetta vanno incontro a apoptosi.
• Assicura l’omeostasi cellulare. Morte di 10 miliardi di cellule al giorno.
• Necessaria per distruggere cellule che costituiscono un pericolo per l’integrità dell’organismo:
  • Cellule infettate da virus: nell’organismo, se una cellula è stata infettata da un virus, le cellule del sistema immunitario riconoscono la cellula come modificata e producono sostanze per indurre la cellula a morire. Via estrinseca dell’apoptosi.
  • Cellule che hanno DNA danneggiato (ciclo cellulare). Se una cellula ha DNA danneggiato e i meccanismi di riparazione hanno fallito tutti, l’unica cosa che rimane da fare alla cellula è andare incontro a morte. Lei stessa si dice che va incontro a morte. Aumentata la produzione di p53, il guardiano del genoma. Esso ha due funzioni: la più veloce bloccare il ciclo cellulare; la seconda più lenta è fare morire la cellula aumentando la sintesi di proteine specifiche. Via intrinseca dell’apoptosi.
  • Cellule tumorali: radiazioni e chemioterapie inducono apoptosi in alcuni tipi di tumore. Cellule tumorali proliferano senza controllo per modificazioni che hanno subito. L’apoptosi è un meccanismo che posso sfruttare per uccidere queste cellule. I farmaci antitumorali hanno questo compito: attivare proteine che vanno a bloccare le cellule tumorali.

Apoptosi: processo di morte cellulare programmato e pulito a differenza della necrosi.

Apoptosi/morfologia della cellula apoptotica

Inizialmente perde contatto con altre cellule, la cellula riduce il suo volume: collasso del citoscheletro, compattazione della cromatina e sua segregazione, condensazione del citoplasma; frammentazione in vescicole blebbing con membrana del citoplasma (vescicolazione del citoplasma) attorno a tanti piccoli nuclei, formazione di corpi apoptotici, una cellula fagocitica, macrofago, fagocita i corpi apoptotici. Non si attiva nessuna risposta antinfiammatoria. È una morte fisiologica attiva e richiede ATP. Sono interessate le singole cellule che restringono il proprio volume. La frammentazione del DNA è ordinata e non c’è mai reazione flogistica.

Necrosi

La cromatina è raggrumata, gli organelli si rigonfiano e tutto il volume della cellula aumenta, la cellula si disintegra rilasciando il contenuto intracellulare, si attiva un processo di infiammazione del tessuto. È una morte accidentale, passiva che interessa numerose cellule. Non è richiesto l’uso di ATP. Il DNA si frammenta in modo casuale. L’infiammazione quindi la reazione flogistica è sempre presente.

Meccanismi dell’apoptosi

L’apoptosi può essere estrinseca o intrinseca. In entrambi i casi c’è una fase iniziale e poi una seconda fase di esecuzione. Gli enzimi chiave che intervengono nel processo sono chiamati caspasi (C di cisteina).

Le caspasi sono da una famiglia di proteasi, da cui dipende il macchinario dell’apoptosi, che hanno una cisteina nel loro sito attivo e tagliano le proteine bersaglio a livello di acidi aspartici. Suddivise in iniziatrici ed esecutrici.

Cascata delle caspasi

Le caspasi sono sintetizzate come pro-caspasi inattiva che vengono attivate dal taglio a livello di acidi aspartici da parte di altri membri della famiglia delle caspasi. Una volta attivate, le caspasi iniziatrici tagliano altre procaspasi portando a una cascata di caspasi che si amplifica. Le caspasi effettrici o esecutrici tagliano numerose proteine chiave della cellula: quelle citosoliche, nucleari e della matrice portando alla frammentazione della cellula in corpi apoptotici.

Le caspasi iniziatrici e esecutrici sono sintetizzate sotto forma di procaspasi. La procaspasi è costituita da un predominio N-terminale seguito da una subunità minore beta e una maggiore alfa. I tre domini sono separati da siti contenenti acido aspartico. La formazione delle caspasi mature avviene per taglio del predominio e suo rilascio e conseguente formazione di un eterotetradimero ovvero caspasi attiva. Nel predominio delle caspasi iniziatrici sono presenti sequenza DED (dominio effettore di morte). Importanti: iniziatrici 8 e 9, esecutrici 3 e 7.

Esempio: attivazione della endonucleasi per demolizione di proteine che la tengono bloccata. La endonucleasi può funzionare. È responsabile della scissione del DNA in tanti piccoli pezzetti. Demolizione del citoscheletro: le caspasi vanno a demolire proteine citoscheletriche e della matrice extracellulare.

Meccanismi molecolari dell’apoptosi

Fase iniziale: vede coinvolte le caspasi iniziatrici.

Fase di esecuzione: dove le caspasi effettrici agiscono.

Fase di terminazione: corpi apoptotici inglobati.

L’apoptosi ha inizio con l’attivazione delle caspasi in conseguenza a segnali di diverso tipo che indicano la necessità di demolire la cellula per apoptosi.

Fase di induzione e segnalazione

L’apoptosi può essere iniziata:

• Dall’attivazione di un recettore di membrana: via estrinseca. Apoptosi scatenata da segnale che proviene dall’esterno della cellula. Cellule del sistema immunitario riconoscono la cellula difettosa, trovano un loro recettore e l’attivazione di questo recettore fa partire la cascata delle caspasi. Mediata dai recettori di morte. Linfocita killer si lega sul recettore di morte della cellula bersaglio con la formazione di un trimero, a cui si legano proteine adattatrici che richiamano la procaspasi-8 che viene attivata come caspasi iniziatrice. Essa va ad attivare altre caspasi. Attivata la cascata delle procaspasi.
• Da un danno intracellulare (danno non riparabile del DNA. Danno mitocondriale) via intrinseca/via mitocondriale. Apoptosi scatenata da segnali provenienti dall’interno della cellula.

Permeabilizzazione della membrana esterna mitocondriale

Le proteine della parete dei mitocondri regolano l’uscita del citocromo C. Si formano dei canali proteici che permettono la fuoriuscita del citocromo C che si lega alla proteina APAF 1 adattatrice che viene attivata e richiama la procaspasi 9 attivando lei come caspasi iniziatrice e di conseguenza avvia la caspasi esecutrice 3 e la cascata di caspasi. Citocromo C + proteina APAF-1 + caspasi-9 formano un complesso detto apoptosoma.

La via mitocondriale prevede il coinvolgimento della famiglia di proteine Bcl-2 di cui fanno parte attivatori (proapoptotica) dell’apoptosi: bax e bak, e inibitori (antiapoptotica) dell’apoptosi: Bcl-2. Le proteine di questa famiglia si trovano localizzate sulla membrana mitocondriale esterna e su quella dell’RE. BCL 2 si oppone all’uscita del citocromo C. bax e bak legandosi tra loro formano dei dimeri che costituiscono un poro che si instaura nella membrana del mitocondrio. In assenza di danno non deve esserci apoptosi e al posto di bax e bak si inserisce nella membrana BCL2 opponendosi all’entrata di bax e bak nella membrana mitocondriale. Vi è una modulazione di espressione di proteine che si inseriscono nella membrana modulandone la permeabilità.

La modulazione dell’espressione di proteine è provocata dal guardiano del genoma p53, un oncosoppressore. Quando p53 rileva danni al DNA, aumenta i livelli della proteina bax fungendo da regolatore di trascrizione. La p53 dice alla cellula di andare incontro ad apoptosi dopo aver bloccato il ciclo cellulare. La cellula muore come conseguenza dell’attivazione di una serie di caspasi.

Terminazione del processo

La fase di esecuzione termina con l’inglobamento e l’eliminazione dei corpi apoptotici. La terminazione del processo di morte è la fase meno nota. Si modificano alcune proteine e lipidi della membrana es. esposizione nella membrana esterna di fosfatidilserina, con meccanismo di flip-flop della flippasi che fanno sì che i corpi apoptotici vengano riconosciuti come elementi da fagocitare da parte dei macrofagi. Le membrane rimangono comunque intatte e così il contenuto cellulare non si disperde.

(Genesi del potenziale di membrana: canali a perdita del potassio, serina che è negativa, pompa sodio-potassio butta fuori 3 sodio + richiamando 2 potassio).

Autofagia

L’autofagia è un processo che si innesca per rimuovere macromolecole o organelli alterati. La cellula risponde ad eventi di stress cercando di rimuovere ciò che è alterato al fine di riportare la cellula alla sua normalità. Cellule che non completano il ciclo autofagico possono accumulare aggregati o autofagosomi e andare incontro a degenerazione (patologie neurodegenerative). D’altra parte l’autofagia nei tumori può rendere le cellule resistenti alle cure citotossiche come la chemioterapia.

Cellule staminali

Cellule staminali: cellule di cui il destino non è ancora “deciso” sono cellule indifferenziate che riproducendosi possono rimanere staminali o differenziarsi in modo irreversibile. Si dice quindi che esse hanno due proprietà: l’autorinnovamento e dare origine a cellule differenziate.

Una cellula staminale si divide in due in modo asimmetrico in due cellule figlie di cui una è cellula staminale, l’altra no, è una cellula staminale “destinata” che andrà incontro a differenziazione. Essa si divide prima in due cellule progenitrici, esse si dividono in 4 precursori che mi danno 4 cellule somatiche differenziate. Il numero totale di cellule staminali rimane costante in un tessuto.

Cellule staminali si dividono in:

• Totipotenti: sono cellule che possono dividersi dando luogo alla formazione di tutte le cellule di tutti i tessuti dell’organismo e gli annessi embrionali. Sono totipotenti solo le cellule negli stati precoci dell’embrione: fino a 3 giorni.
• Pluripotenti: cellule in grado di dare luogo a tutti i tessuti di un individuo ma non agli annessi embrionali (placenta, sacco vitellino, cordone ombelicale). Sono pluripotenti le cellule della massa interna della blastocisti, rivestita dal trofoblasto, dette anche cellule staminali embrionali embrione di 1 settimana.
• Multipotenti: cellule maggiormente differenziate rispetto alle precedenti, sono in grado di dare luogo a tutti i tipi cellulari del tessuto di appartenenza. Vengono considerate multipotenti le cellule staminali dell’adulto, come le cellule ematopoietiche e le mesenchimali. Sono cellule che possono essere differenziate solo in cellule del tessuto di appartenenza.