Patologia generale

Introduzione alla patologia cellulare

In questo corso tratteremo di cellule che ad un certo punto si alterano

funzionalmente. Nel momento in cui queste alterazioni iniziano a toccare un

numero significativo di elementi cellulari in un tessuto, si hanno sintomi e segni

di una malattia.

Questa alterazione funzionale che sta alla base delle manifestazioni cliniche

può dipendere da stimoli esterni patogeni ossia da generatori di malattia

esterni oppure dipendere da stimoli interni alla cellula che ne alterano la

funzione.

Nello schema sottostante troviamo esempi di entrambe le situazioni

Analizziamo più nel particolare una situazione di stimoli patogeni esterni. Il

covid-19 è un virus che si introduce anche attraverso l’aria che respiriamo e

determina un danno alle cellule dell’apparato respiratorio, principalmente degli

alveoli.

Come rappresentato dallo schema, l’azione dannosa del virus è determinata

dalla sua intelligenza nello sfruttare recettori, che normalmente svolgono altre

funzioni, per entrare all’interno delle cellule. Una volta entrato all’interno della

cellula, il virus:

Altera il funzionamento fisiologico della cellula,

 si riproduce sequestrando le funzioni metaboliche della cellula

 esce dalla cellula attivando dei programmi di morte cellulare, in particolare

 viene attivato il programma apoptotico e ciò avviene attraverso

l’espressione di geni pro apoptotici.

In che modo questi stimoli extracellulari vengono trasferiti fino al

nucleo delle cellule?

Tramite il processo di trasduzione cellulare.

La cellula, organizzata in

compartimenti per segregare

specifiche funzioni che

richiedono specifici mediatori, ha

bisogno di attuare meccanismi

abbastanza complessi affinché

uno stimolo extracellulare sia in

grado di modificare l’espressione

genetica della cellula.

Questo ‘complesso meccanismo’

consta in una serie di interazioni

tra proteine e di modificazioni

conformazionali mediate da

secondi messaggeri.

1. Lo stimolo esterno, chiamato ligando interagisce con il recettore di

membrana che cambia impercettibilmente forma.

2. Al recettore modificato si associa una catena di interazioni transienti di

proteine. Ossia di interazioni tra proteine intracellulari che vengono

chiamate trasduttori.

3. Le interazioni sono facilitate dalla presenza di secondi messaggeri: si tratta

ioni piccoli nucleotidi

di piccole molecole, nonché di (Ca ), (AMP

++

o piccoli lipidi

adenosinamonofosfato) che, createsi dal primo contatto tra

recettore e ligando, facilitano l’interazione tra i trasduttori. Le interazioni

fisiche indotte da questi secondi messaggeri permettono alle proteine

modificate di interagire tra loro.

4. L’ultima proteina della ‘catena’ una volta modificata la forma, è in grado di

entrare nel nucleo dove modifica l’espressione genica, questa proteina

intracellulare è detta effettore e si tratta di fattori di trascrizione che

legano il DNA.

Si noti che per un recettore stimolato possono generarsi mille molecole di

secondi messaggeri; si tratta dunque di un messaggio che viene amplificato

all’interno della cellula.

Il processo sopra descritto è quello più comune che permette ad uno stimolo

cellulare di giungere al nucleo della cellula. È però importante considerare

l’esistenza di sostanze lipofiliche.

Si tratta nella maggior parte dei casi di ormoni lipofilici quali gli ormoni

steroidei e tiroidei.

Queste sostanze, per conformazione analoga alle code dei fosfolipidi che

costituiscono le membrana cellulari, sono in grado di addentrarsi fino al nucleo

senza seguire il processo prima descritto.

https://www.youtube.com/watch?

v=FQFBygnIONU&feature=youtu.be&fbclid=IwAR30LeI0r7MDKmTyfA2SWfmW1

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Il video proposto spiega nel dettaglio i diversi meccanismi di segnalazione

cellulare.

Il primo esempio (nell’immagine in alto a sinistra) tratta di cellule che si

scambiano molecole attraverso gap junctions e generano una risposta nell’altra

cellula.

Il secondo esempio (nell’immagine in alto al centro) viene proposta un tipo di

risposta mediata da recettore. La stessa viene poi specificata nell’esempio che

segue.

L’introduzione verte sulla presenza all’interno di piccole molecole che possono

uscire o spontaneamente se liposolubili o attraverso delle piccole membrane

che ne permettono il passaggio dal doppio strato fosfolipidico della membrana

cellulare. Una volta liberate, queste molecole, ora dette ligandi vengono prima

o poi accolte da recettori specifici. Il percorso che la molecola percorre una

volta uscita dalla cellula d’origine da vita ad una classificazione:

segnalazione paracrina

Si tratta di se la distanza percorsa è breve

 segnalazione endocrina

Si tratta di se la distanza percorsa è lunga e

 coinvolge il passaggio per la circolazione ematica. In questo caso le

molecole sono dette ormoni.

segnalazione autocrina

Si tratta infine di se la cellula che presenta

 recettori specifici per la molecola è la cellula stessa che ha secreto la

molecola.

Stimoli patologici che creano danni cellulari

CASO CLINICO

Un ragazzo di 14 anni viene ricoverato in stato comatoso per arresto

respiratorio.

Egli stava lavorando in uno stabilimento di stoccaggio plastico quando un

incendio ha fatto si che respirasse la combustione di materiali plastici.

Ricoverato in PS, l’aspetto del ragazzino comprende:

Aree di colorito rosso vivo della cute. Il ragazzo, pur non respirando, non ha

o cianosi.

Iperpnea

o Stato comatoso

o Iperossia ematica

o Insufficienza multiorgano

o

Per analizzare questo caso clinico, è importante tenere in considerazione che i

gas che il ragazzino ha respirato sono sostanze altamente tossiche (tra essi vi è

anche il cianuro).

Questi gas rappresentano un dannoso stimolo extracellulare che altera la

funzione delle cellule.

La cianosi, come richiamato dal colore ciano (blu) è un termine che si riferisce

ad un colorito bluastro della cute ma in primo luogo delle mucose (che essendo

meno cheratinizzate sono le prime a prendere un colorito bluastro).

Il colorito bluastro della cute in cianosi è dovuto alla desaturazione

dell’emoglobina che solo se satura di ossigeno prende un colorito rosso vivo.

Il paziente non presenta cianosi poiché data l’inalazione di gas tossici, ha

smesso di utilizzare ossigeno a livello cellulare. RISPOSTA PROF

[Normalmente il sangue arterioso circolando in periferia cede O2 perché le

cellule man mano che lo utilizzano lo consumano e quindi lo assumono

attivamente dal sangue "desaturando" l'emoglobina, che dopo aver ceduto

l'O2 da rosso vivo diventa blu, a causa di un cambio conformazionale del

gruppo eme che lega l'O2. Se le cellule smettono di consumare O2 perché la

respirazione celluare è inibita, l'O2 non viene sequestrato dalla emoglobina,

che mantiene più a lungo il suo colorito rosso vivo. In realtà questa situazione

non dura a lungo in una persona deceduta, perché comunque dopo un pò

l'emoglobina rilascia l'O2 spontaneamente e cambia gradualmente colore. ]

Come viene utilizzato l’ossigeno a livello cellulare?

L’ossigeno permette il funzionamento dell’ATP sintasi, enzima a forma di

turbina che funziona grazie alla differenza di potenziale protonico creato dal

complesso da 1 a 4.

Quest’ultimo infatti concentra gli ioni a livello intermembranario e ne lascia

pochi nella matrice ma svolge anche la funzione di catena di trasporto degli

elettroni derivanti dai coenzimi prodotti dal ciclo di krebs (anch’esso avviato

solo in presenza di ossigeno).

Con questi prerequisiti, l’ATP sintasi associa ADP e P creando ATP.

Alcune scoperte però, hanno evidenziato il fatto che il cianuro sia un

potentissimo inibitore del complesso enzimatico 1-4. Ne consegue che,

successivamente all’inalazione di cianuro, la catena di trasporto degli elettroni

si blocca e con essa anche l’ATP sintasi. I mitocondri non utilizzano più

ossigeno.

Mancato utilizzo di ossigeno mancata produzione di ATP



Cosa succede se crolla la produzione di ATP?

Vi sono proteine che hanno disperato bisogno di ATP. Si tratta delle proteine

che spostano contro gradiente ioni e piccole molecole.

Per effettuare il loro lavoro infatti, usano ATP trasformandolo in ADP + P.

La conseguenza è che non vi è più equilibrio tra ioni e molecole tra l’interno e

l’esterno della cellula. [poi spieghiamo bene in che modo]

La cellula va in necrosi. L’insufficienza multi-organo è attestata

da singoli marcatori che indicano che tutti i

sistemi hanno smesso di funzionare perché

le cellule hanno avuto una deprivazione

totale di produzione di ATP e sono morte per

necrosi.

La necrosi La necrosi è un meccanismo di morte

cellulare legata alla completa perdita

della funzione di barriera delle

membrane della cellula,

meccanismo della necrosi.

Come abbiamo detto prima, il

mancato apporto di ATP non permette

alle proteine di membrana di

mantenere le differenze di potenziale

fisiologiche.

Di conseguenza le molecole e gli ioni

si spostano per diffusione e si

accumulano.

Lo ione più imponente nel processo di

necrosi è il Sodio Na che, non

+

essendo portato nell’ambiente

extracellulare dalla proteina ATPasica, si sposta per diffusione all’interno della

cellula e vi si accumula.

Il sodio però porta con sé molta acqua che riempie l’interno della cellula che

esplode.

Non è solo la cellula in generale ad aver bisogno di una precisa concentrazione

di sodio; anche il mitocondrio necessita che la concentrazione di sodio

all’interno sia molto bassa. Ma anch’esso, per mancanza di produzione di ATP si

riempie di sodio e dunque di acqua ed esplode.

Nel momento in cui queste macchine di produzione di energia vengono

distrutte, la cellula si colloca nella fase irreversibile della necrosi.

La causa più frequente di necrosi è dunque la mancanza di ossigeno.

La mancanza di ossigeno può essere data da ipossia, ipertermia, infezioni (ad

esempio virali) o esposizione a vari agenti tossici. L’ipossia può essere data da

ischemia dato che si tratta di un mancato apporto di sangue. L’ischemia data

da trombosi (grande coagulo), è la causa più frequente di ipossia acuta poiché

il sangue viene completamente bloccato e si ha un’ipossia, mancato apporto di

sangue e di conseguenza di ossigeno. Questo causa una massiva necrosi di

tutte le cellule del tessuto: necrosi tissutale o più comunemente infarto (nel

caso del cuore miocardico).

Il processo di apoptosi

Si tratta di un processo molto diverso da quello della

necrosi. In questo caso infatti, si tratta di un

processo di frammentazione che fa si che le

membrane rimangano integre molto a lungo.

In termini poco tecnici si avvicina ad una specie di

implosione.

La frammentazione delle strutture cellulari avviene

ad opera delle caspasi, enzimi che frammentano le

strutture cellulari.

La maggior parte delle strutture cellulari (proteine, acidi nucleici, lipidi)

vengono frammentate dalle caspasi e ciò che resiste più a lungo è la

membrana cellulare.

L’apoptosi è un processo tipico degli organismi multicellulari ossia dei

metazoi ed è dunque una morte cellulare che si è evoluta più recentemente.

Si tratta, come abbiamo già accennato di una morte programmata in cui la

cellula attiva dei meccanismi per andare incontro alla morte (suicidio cellulare).

Al contrario, la necrosi è una morte passiva alla quale la cellula non prende

parte.

Uno dei motivi principali per cui la cellula va in necrosi è perché trova in se un

danno al DNA e non vuole trasmetterlo alla progenie della cellula. In questo

caso la morte cerca di evitare danni dell’organismo.

Un altro comune motivo di apoptosi è l’accumulo di ROS, metaboliti tossici

che fanno innescare il processo di apoptosi. I Ros sono delle specie molecolari

derivate dall’ossigeno che tendono per

ragioni varie ad avere un elettrone instabile nella parte più esterna dell’atomo.

Quest’ultimo tende a staccarsi dalla molecola originale e ad attaccarsi a quelle

vicine ossidandole.

L’ossidazione è una modificazione che altera la struttura e fa funzionare meno

(agiscono su lipidi, proteine ma anche possono agire sulla molecola di DNA).

I Ros vengono prodotti in infiammazione o da mitocondri con attività molto

intensa.

Le ragioni sopracitate (accumulo di ROS e danno al DNA) possono anche essere

determinati da malattie genetiche dette progerie.

Per esempio: Sindrome di Werner, Bloom, Cockayne, Hutchinson Guilford.

L’apoptosi, a differenza della necrosi, colpisce singole cellule del tessuto, però

chiaramente, se il danno persiste a lungo nel tempo, il numero di cellule

apoptotiche aumenta ed il tessuto, se fatica a rigenerarsi bene, può risentirne

dal punto di vista funzionale.

L’apoptosi è anche un processo fisiologico che viene attivato anche nel corso

dello sviluppo embrionale per modellare gli organi. Per esempio, gli abbozzi

embrionali dei nostri arti hanno inizialmente un aspetto palmato dato dalla

proliferazione cellulare; successivamente, le cellule vano incontro ad apoptosi

in modo da terminare il rimodellamento dei tessuti.

L’apoptosi si dice attivata per via estrinseca quando i death receptors legano

delle proteine rilasciate a livello extracellulare e attivano all’interno della

cellula la caspasi 3.

L’apoptosi si dice invece attivata per via intrinseca quando la cellula,

subendo dei danni al DNA, la struttura mitocondriale viene alterata ed il

citocromo (che normalmente si trova all’interno del mitocondrio) viene

rilasciato nel citoplasma dove attiva la caspasi 9.

La rigenerazione dei tessuti parte in risposta ad un danno per ricostruire le

cellule morte.

Vi sono però dei tessuti che hanno un bisogno più alto di rigenerazione data

l’emivita molto breve delle cellule che lo costituiscono.

Si tratta per esempio della rigenerazione fisiologica di tessuti epiteliali come la

cute, quello intestinale e quello respiratorio. L’emivita di queste cellule è molto

breve perché il loro compito è quello di formare una barriera rispetto a fattori

esterni / ambientali che possono anche essere in grado di degenerare la cellula

da un punto di vista fisico, meccanico, chimico.

Per esempio, l’epitelio intestinale si rinnova completamente ogni 7-10 giorni.

La rigenerazione dei tessuti, per avvenire, ha bisogno della presenza delle

cellule staminali adulte.

Questa componente di ogni tessuto ha delle proprietà particolari che sono:

Self-renewal –

- solo le cellule staminali possiedono questa caratteristica.

Multi potenza –

- una cellula staminale in un tessuto è in grado di dare

origine a cellule differenziare tra loro. Per esempio, la cellula staminale

emopoietica (del sangue) da origine ai megacariociti, ai globuli rossi, ai

globuli bianchi…

Quiescente –

- si divide solo se c’è necessità di farlo

Divisione asimmetrica –

- una cellula staminale da origine a cellule figlie

una diversa dall’altra. Si tratta infatti di una cellula staminale adulta e di una

cellula progenitrice altamente proliferante che creerà le cellule

terminalmente differenziate

Quando un danno fa morire delle cellule di un tessuto per apoptosi, le cellule

staminali avvertono questa perdita di elementi cellulari e si attivano per

compensarla.

Il problema è che non tutti i tessuti sono in grado di rigenerare allo stesso

modo davanti ad un danno apoptotico.

Vi sono tessuti con una bassa capacità rigenerativa:

- Tessuto nervoso

- Muscolo

- Ossa e cartilagini

Vi sono invece tessuti con un’alta capacità rigenerativa:

- Epiteli

- Tessuto emopoietico

La capacità rigenerativa dipende sia dal numero delle cellule staminali che

dalla capacità delle cellule staminali di dividersi.

Quindi se il mio problema attiva il programma apoptotico in tessuti a basso

rinnovamento dove il pool di cellule staminali è basso ecco nascere una

malattia degenerativa.

Le malattie degenerative sono dunque delle malattie che derivano

dall’esaurimento della capacità rigenerativa.

- Parkinson

- Osteoporosi

- Alzheimer

Queste malattia hanno un andamento cronico e progressivo, coinvolgono

prevalentemente alcuni tessuti (che sono quelli con bassa capacità

rigenerativa) e sono prevalenti in età avanzata.

Vecchiaia = nel tempo la capacità delle cellule staminali di rinnovarsi tende ad

esaurirsi.

Anche in assenza di altre patologia, notiamo che in un anziano i primi sistemi

ad essere affetti dalla vecchiaia sono quelli con bassa capacità di rigenerarsi.

Risposta alle condizioni di stress cellulare

Oggi approfondiremo le risposte cellulari a stress cellulare ossia a vari agenti

potenzialmente dannosi per la cellula come sostanze ossidanti, l’alterato

ripiegamento e l’assemblaggio delle proteine cellulari.

Per i grafici qui riportati viene

utilizzato ul modello cellulare molto

utilizzato in biologia cellulare del

lievito. Si tratta di un organismo

eucariote unicellulare.

Nel primo grafico notiamo che

l’esposizione improvvisa ed alta ad

una sostanza ossidante come in

questo caso il perossido di

idrogeno provoca nel giro di poche

ore la morte di tutte le cellule.

Lo stesso esperimento viene

ripetuto con la differenza che all’inizio le cellule vengono esposte ad una

concentrazione bassa e non letale di perossido di idrogeno.