Patologia totale

IL DANNO CELLULARE E L’ADATTAMENTO CELLULARE

La patologia è la disciplina che studia le anomalie strutturali e funzionali in una struttura vivente; la patologia generale in particolare

studia:

Eziologia: causa della malattia: una malformazione nel DNA, un infezione virale, una sostanza tossica

Patogenesi: meccanismo con cui le cause agiscono. Come il blocco di un canale ionico, alterazione di un meccanismo di

feedback ormonale

Ad esempio l’anemia falciforme: l’eziopatologia è genetica mentre la patogenesi è il fatto che l’emoglobina mutata forma delle

aggregazioni che danno deformazione dei globuli rossi causandone la morte prematura

Le principali fonti di danno cellulare sono l’ipossia e la formazione di radicali liberi: il primo porta all’interruzione di produzione di ATP

mentre il secondo porta a formazione di danni alla membrana. Si ha la formazione di danni prima reversibili e poi irreversibili che

portano alla morte o necrosi cellulare.

un processo diverso dalla necrosi cellulare è l’apoptosi:

Necrosi: processo che coinvolge gruppi di cellule contigue causando la morte a catena e un processo di infiammazione associato

ad esse

Apoptosi: morte programmata di una singola cellula che non porta a nessun tipo di infiammazione

I processi di necrosi e apoptosi possono essere innescati da processi fisiologici oppure essere causati da stimoli lesivi che possono

portare a modificazioni adattative della cellule che cerca di sopravvivere, normalmente reversibili; se questo stimolo però è cronico, le

modificazioni diventano irreversibili portando a differenziazione di elementi cellulari del numero di cellule stesse nel tessuto (

metaplasia, iperplasia)

Oltre a questi stimoli possono verificarsi in alcune patologie episodi di accumulo intra o extra cellulare di vario tipo, di sostanze

organiche o inorganiche che possono di per sé produrre danno cellulare.

1. Necrosi cellulare

2. Apoptosi

3. Accumulo intracellulare

4. Accumulo extracellulare

5. Alterazioni della crescita cellulare

a) Necrosi cellulare

la necrosi può essere innescata da ipossia o da presenza di radicali liberi:

necrosi da ipossia

l’ipossia può essere causata da:

Ischemia: è la causa più frequente e normalmente è dovuta da cause aterosclerotiche, quindi il tessuto non viene correttamente

irrorato e quindi non viene raggiunto nemmeno dall’ossigeno

Ipossiemia: riduzione della quantità di ossigeno nel sangue magari scatenata dal blocco della ventilazione

Alterazioni dell’emoglobina: ad esempio nell’avvelenamento da CO l’emoglobina lega meno ossigeno

Fosforilazione ossidativa alterata o disaccoppiamento come nell’avvelenamento da cianuro

Deviazione dello shunt atero-venoso in cui il sangue non raggiunge una zona capillare

In tutti questi casi quindi la cellula si trova a avere a disposizione meno ossigeno e quindi andrà a produrre meno ATP perche la

maggior parte di ATP vengono prodotti dalla fosforilazione ossidativa che converte i NADH proveniente dalla glicolisi in ATP grazie al

vettore ossigeno; per questo la conseguenza principale dell’ipossia è la mancata produzione di ATP che andrà a causare scompensi,

prima reversibili e poi irreversibili nella cellula fino arrivare alla morte: 1

Carenza di produzione di ATP

mancato funzionamento della mancato funzionamento delle pompe calcio da glicolisi aerobia si passa a glicolisi

polpa sodio/potassio per ATP dipendenti che normalmente buttano fuori anaerobia con perdita di produzione

mancanza di energia il calcio mantenendo una concentrazione energetica e inoltre i NADH normalmente

molto bassa, e il poco calcio intracellulare smaltiti dalla fosforilazione ossidativa vengono

viene immagazzinato grazie alle stesse pompe usati dalla lattato deidrogenasi – LDH per

in mitocondri e reticolo endoplasmatico convertire piruvato in lattato (acido lattico)

il sodio in eccesso nella cellula il malfunzionamento di queste pompe porta l’eccesso di acido lattico porta a acidosi nella

richiama acqua e ho rapidamente all’entrata del CALCIO dallo cellula che causa denaturazione delle

rigonfiamento della cellula e di spazio extracellulare e dall’espulsione dei proteine strutturali e enzimatiche (necrosi

tutti gli organelli interni depositi nel citoplasma coagulativa)

Alte concentrazioni di calcio nel citoplasma vengono interpretate come uno stimolo e quindi ho attivazione di moltissimi gruppi

enzimatici che vanno a colpire in modo incontrollato molte parti della cellula

attivazione di fosfolipasi e endonucleasi attive attivazione di fosfolipasi attivazione di caspasi e altre

proteasi portano danni alla tagliuzzano in DNA nel nucleo mitocondriali e formazione di proteasi vanno a dissociare

membrana plasmatica addensamenti amorfi proteine strutturali, in

particolare del citoscheletro

Importante ricordare che a questo livello, gli elevati livelli di calcio andranno anche a attivare gli enzimi NOS preposti alla sintesi di NO

che produce uno stress da radicali liberi (vedi dopo)

A questo punto la cellula attiva dei SISTEMI DI DIFESA:infatti pochi minuti dopo la comparsa del fenomeno di stress ho la sintesi di HHSP

e cioè proteine dello shock termico (chiamate così perché scoperte prima di tutto in questo campo ma prodotte anche per altre

situazioni di stress). Queste proteine proteggono la cellula agendo sulle proteine danneggiate:

riconoscono le proteine danneggiate e le riparano per ridare se non è possibile riparare le proteine danneggiate , queste

attività alla cellula vengono legate all’ubiquitina che funge da marker di

degradazione, infatti vengono indirizzate ai lisosomi che le

demoliscono

La cellula raggiunge il “PUNTO DI NON RITORNO”: se lo stress continua i danni saranno irreversibili

Si verifica la picnosi nucleare e cioè il nucleo si deforma, frammenta fino a disgregarsi completamente

I lisosomi si frammentano e liberano tutto il loro contenuto: proteine danneggiate e soprattutto enzimi lisosomi ali, molecole di

degrado, radicali liberi che vanno a degradare tutti i componenti cellulari

Completa rottura della cellula e riversamento del contenuto nel torrente circolatorio (ricerca di enzimi specifici per fare uan diagnosi e

vedere quanto un tessuto è danneggiato) che porta anche morte delle cellule circostanti

Danni da radicali liberi

I radicali liberi sono molecole che posseggono un singolo elettrone spaiato nell’orbitale esterno e quindi dotate di grande reattività: i

più presenti sono i radicali liberi dell’ossigeno e dell’azoto che vanno a danneggiare membrana, mitocondri e nucleo.

Radicali liberi dell’ossigeno:

prodotti fisiologicamente nella catena respiratoria sono prodotti anche a casa esposizione a radiazioni, metabolismo di farmaci,

presenza di ferro reattivo.

le forme dell’ossigeno sono: l’azione superossido, lo ione idrossilico e l’anione superossido. Forme interscambiabili tra loro tramite

reazioni spontanee come la reazione di Fenton o reazione catalizzare da enzimi di protezione come la catalasi e la glutatione per

ossidasi.

È infatti importante ricordare i sistemi di difesa della cellula che hanno una capacita di tampone sulla formazione dei radicali liberi

infatti riescono a opporsi alla normale produzione fisiologica dei radicali liberi: i sistemi di difesa sono molecole antiossidanti come

la vitamina E e C, oppure sistemi enzimatici come catalasi (nei perossisomi) e la glutatione perossidasi.

quando però i livelli di produzione di radicali liberi superano questa capacità tampone si verificano i danni cellulari: le situazione

che scatenano un eccesso di produzione di radicali liberi sono l’infiammazione. Radiazioni, ossigeno-terapia , danno da

riperfusione, invecchiamento, metabolismo di alcuni prodotti chimici 2

il radicale libero più lesivo è lo ione idrossilico perché:

lo ione idrossilico che origina dalla reazione di fenton attaccano diversi organi della cellula:

MEMBRANA PROTEINE DNA

gli acidi grassi di membrana formando per ossidazione i radicali RL dell’ossigeno attacco e rottura dei

lipidica causano la formazione di filamenti di DNA

legami crociati all’interno contribuendo alla morte

gli acidi grassi diventano a loro volta dei radicali liberi lipidici delle proteine tramite cellulare

che si attaccano con reazioni a catena formazione di ponti sulfidrilici.

questo cambiamento

la mutazione degli acidi grassi i radicali lipidici attivano conformazionale porta a

porta a aumento della la lipossigenasi portando aggregazione o

permeabilità di membrana alla produzione di frammentazione di catene

causando di nuovo eccessiva leucotrieni che sono peptidiche

entrata di calcio mediatori pro-

infiammatori

Radicali liberi dell’azoto:

NO viene prodotto fisiologicamente da sistemi enzimatici detti NOS-NO sintetasi e vengono prodotti dal sistema nervoso nNOS, dal

sistema vasale eNOS e dal sistema immunitario come NOS inducibili iNOS.

Normalmente un eccesso di produzione di NO è causato da una iper stimolazione di iNOS a causa di un infiammazione, oppure

una iperproduzione di NO da parte di eNOS e nNOS dovuta a un eccesso di calcio intracellulare scatenato da ipossia come visto

prima.

NO agisce direttamente su alcuni sistemi enzimatici , ad esempio legandosi a EME (causando attivazione di un enzima che

o produce vasodilatazione) producendo composti ferro-nitrosati attivi e attivando diversi sistemi enzimatici contenenti EME

NO si lega ai sostituenti sulfidrilici delle proteine formando S-notrosotioli , variando l’attività della proteina stessa come proteine

o G, fattori di trascrizione

NO inibisce gli enzimi della catena respiratoria

o NO causa la rottura del DNA con attivazione di p53

o Formazione del radicale libero ONOO- ione perossinitrito, dovuto alla formazione simultanea di NO e ione superossido. Il

o radicale va poi a danneggiare proteine, lipidi e DNA

Morfologia dei tessuti affetti da necrosi cellulare

Un tessuto sottoposto a stress e in cui si verifica morte cellulare per necrosi può sviluppare differenti aspetti e progressione di questo

deterioramento del tessuto ; a secondo dei casi, dei tempi della morte e dei tessuti colpiti posso distinguere:

1. NECROSI COAGULATIVA:

tipica della necrosi per ischemia, prevede la morte cellulare senza autolisi perché si ha inattivazione degli enzimi lisosomi ali a

causa dell’acidosi e delle forti concentrazioni di calcio al momento della rottura dei lisosomi. Per questo il tessuto conservano i

contorni cellulari.

i danni alla membrana però permettono la fuoriuscita di materiale cellulare che causa un’infiammazione acuta del tessuto che

richiama molte cellule del sistema immunitario, come i macrofagi che libereranno loro gli enzimi litici per digerire e distruggere le

cellule morte, per poi fagocitarne i frammenti.

Un esempio di questo tipo di necrosi , oltre all’infarto del miocardio, è la gangrena secca in cui appunto il tessuto assume

un’apparenza mummificata visto che non si ha auto lisi del tessuto, quando però poi intervengono le infezioni in questo tessuto si

passa a gangrena umida in cui l’aspetto è di una necrosi colliquativa

2. NECROSI COLLIQUATIVA:

tipico questa volta dell’ischemia al cervello perché le cellule celebrali sono ricche in lisosomi contenenti enzimi litici che quindi non

vengono completamente inattivati e vanno a degradare la cellula i cui frammenti si spargono nel tessuto promuovendo

l’infiammazione e facendo accorrere cellule bianche che liberano ulteriori enzimi litici.

3. Necrosi adiposa:

morte cellulare che interessa anche la demolizione dei trigliceridi con rilascio di acidi grassi liberi che vanno a coniugarsi con le

grandi quantità di c.

questo tipo di necrosi può avvenire per 2 cause differenti:

necrosi adiposa di tipo enzimatico: liberazione di enzimi pancreatici nel tessuto adiposo dovuta a pancreatite acuta

adiponecrosi di tipo traumatico: la morte cellulare è causata da un forte trauma al tessuto adiposo con conseguente

calcificazione

4. Necrosi caseosa:

combinazione di necrosi coagulativa e necrosi colliquativa caratterizzata dalla formazione di granulomi da parte delle cellule T

helper del sistema immunitario. Sono lesioni ben circoscritte caratterizzate da macrofagi attivati. È tipica di infezioni batteriche e 3

l’aspetto caseoso è dovuto alla distruzione dei patogeni che liberano molti lipidi dalle loro pareti

5. Necrosi fibrinoide:

caratterizzata dalla presenza di materiale eosinofilo simile a fibrina. Si presenta a causa di distrurbi della circolazione come

vasculite, deposito di immunocomplessi, depositi nell’ipertensione maligna.

il tipico aspetto è dovuto all’aumento di permeabilità del tessuto danneggiato che causa accumulo proteico plasmatico

6. Necrosi gommosa:

è una variante della necrosi caseosa tipica della sifilide in cui appunto le lesioni sono circoscritte ma assumono un aspetto

gommoso

7. Necrosi postmortem:

necrosi dovuta all’autolisi di tutti i tessuti dovuta al rilascio di enzimi intracellulari senza però risposta infiammatoria 4

2. Apoptosi

L’apoptosi è un processo fisiologico di morte programmata della cellula e è molto differente dalla necrosi perché è un processo

controllato , regolato, che interessa una singola cellula e non causa infiammazione. Può essere attivato da processi puramente

fisiologici come la genesi del lume degli organi cavi nell’embiogenesi, oppure essere stimolata da fattori esterni di disturbo come

radicali liberi (bassa intensità), radiazioni, dai meccanismi di protezione come il fatto che l’apoptosi viene attivata nel momento in cui

viene riscontrato un danno nel DNA irreparabile oppure quando la cellula si stacca dal tessuto basale (pericolo di meta statizzazione).

È un processo che richiede energia attivamente alla cellula che spesso deve produrre e attivare delle proteine volte al corretto

processo di morte programmata; macroscopicamente l’apoptosi prevede:

la cellula diminuisce poi di dimensioni,

si ha frammentazione del nucleo,

si perdono strutture complesse specializzate della superficie (come i microvilli),

perdita delle giunzioni intracellulari formazione di estroflessioni nella membrana esterna fino alla formazione di vescicole

completa frammentazione in corpi apoptotici che vedono al loro interno organelli intatti e frammenti di DNA

sulla membrana cellulare vengono espressi dei segnali eat-me che legano i macrofagi preposti alla loro demolizione

nessun frammento proteico viene rilasciato all’esterno della cellula e quindi non si innesca processo infiammatorio

questo processo può essere innescato da diversi stimoli e prevede una serie eventi che portano all’apoptosi; inoltre la cellula possiede

sistemi importanti di regolazione dell’apoptosi sia stimolatori che inibitori in modo da compensare processi di protezione da danno

cellulare a sopravvivenza: cause che innescano l’apoptosi:

stimoli esterni positivi: fattori di regolazione che si legano selettivamente a dei recettori di membrana. Ad esempio conosciamo TNF

(tumor necrosis factor) e fas-ligando

stimoli intracellulari: glucocorticoidi

danno del DNA: tramite attivazione del sistema p53 ho attivazione del segnale di morte inviato al mitocondrio

mancanza di segnali estracellulari come la mancanza di fattori di crescita o di particolari ormoni (no androgeni, diminuzione

prostata)

distacco della cellula dall’ancoraggio alla matrice extracellulare

eccesso di NO (non quanto nella necrosi)

l’apoptosi vera e propria a questo punto viene innescata e portata avanti tramite attivazione di un meccanismo enzimatico:

un prolungano aumento di calcio i recettori visti prima, quando legano il loro i recettori di attivazione dell’apoptosi inoltre

intracellulare (meno significativo che substrato (TNF) attivano direttamente della segnale della sfingomielina

attivano il

nella necrosi) causa l’attivazione di caspasi : infatti ne promuovono l’idrolisi liberando

proteasi calcio

alcune le caspasi sono una famiglia di proteasi : fosfocolina e ceramide.

C-aspasi: sono proteasi Cisteiniche

dipendenti che cominciano a cASPASI: tagliano la proteina dopo un i ceramidi costituiscono un secondo

tagliare le proteine acido aspartico messaggero che va a sua volta a attivare

l’apoptosi passando anche per la regolazione

mitocondriale importante per questo processo

Le caspasi sono gli enzimi caratteristici della morte programmata cellulare e agiscono attivando diversi processi:

attivazione di altre caspasi in modo proteolitico

inattivazione di proteine necessarie per la sopravvivenza cellulare come proteine preposte alla riparazione del DNA

attivazione di proteine necessarie alla morte cellulare come le endonucleasi che tagliuzzano il DNA mitocondrio

fin ora abbiamo visto l’attivazione diretta dei sistemi di apoptosi ma indirettamente svolge un ruolo molto importante il

che infatti riceve segnali intra e extra cellulari e modula l’attivaazione a sua volta delle casmasi:

i mitocondri infatti sono soggetti al controllo da parte di fattori Bcl e bax, ma anche dalle concentrazioni di ceramide: il fattore bax e

le ceramidi sono in grado di aprire i canali ionici della membrana mitocondriale interna, facendo perdere così il potenziale di

membrana necessario alla respirazione cellulare.

a seguito della perdita di potenziale di membrana si ha liberazione del citocromo c della catena respiratoria che nel citoplasma va a

attivare le caspasi.

il fattore Bcl invece agisce in modo opposto bloccando l’apoptosi tenendo i pori della membrana interna chiusi

apoptosi necrosi

singola cellula - processo attivo gruppi di cellule – processo passivo

no infiammazione causa infiammazione

riduzione di volume cellule dilatate

le membrane rimangono intatte alterazione morfofunzionale della membrana 5

organelli intatti arganuli anomali (mitocondri giganti e gonfi)

morte programmata morte dovuta a esposizione a agenti nocivi

3. Accumulo intracellulare

Le cellule possono essere soggette ad accumulo intracellulare di sostanze organiche o inorganiche a causa di: eccesso di assunzione,

disturbi nel metabolismo di sintesi e degradazione. Questi accumuli causano danni cellulari

a