Le patologie mitocondriali: origini genetiche e manifestazioni cliniche

Le patologie mitocondriali

Le patologie mitocondriali sono patologie rare ma particolarmente interessanti che hanno suscitato interesse da un punto di vista clinico ma soprattutto sotto un punto di vista molecolare. Questo tipo di patologie sono dovute ad alterazioni a carico del dna mitocondriale. Alcune possono essere dovute ad attivazione a carico del dna nucleare ma principalmente la lesione molecolare nasce dal dna mitocondriale.

Sono dovute ad un difetto del metabolismo energetico. La fosforilazione ossidativa, processo metabolico che avviene grazie alla catena respiratoria collocata all'interno dei mitocondri, determina la produzione di molecole di atp. Le molecole di atp forniscono energia a tutti i tessuti e a tutti i nostri organi e quindi alterazioni a carico della fosforilazione ossidativa possono essere responsabili di insorgenza di gravi patologie. Queste patologie coinvolgono tutti i tessuti e organi ma in particolare coinvolgono quei tessuti a più alta richiesta energetica come il tessuto muscolare o il tessuto nervoso ed è per questo che vengono definite encefalomiopatie.

La fosforilazione ossidativa è eseguita dalla catena respiratoria. La catena respiratoria è formata da tante subunitá proteiche molte delle quali sono prodotte dal nostro dna nucleare mentre molte altre sono prodotte dal dna mitocondriale e questo spiega la doppia ereditarietà che noi osserviamo in queste patologie (vediamo ereditarietà di tipo mendeliano ed ereditarietà di tipo materno).

Patologia dei mitocondri

Patologie genetiche

Patologie Genetiche derivanti da mutazioni delle proteine mitocondriali Cancro Malattie Degenerative Invecchiamento

1962. La prima patologia mitocondriale riportata: Malattia di Luft perdita dell'accoppiamento tra catena di trasporto degli elettroni e sintesi di ATP. Il paziente consumava grosse quantità di 02 in assenza di produzione di ATP. L'energia veniva dissipata sotto forma di calore (profusa perspirazione)

1988. Scoperta delle prime mutazioni del mtDNA in una rara miopatia oculare

Oggi. Le alterazioni di OXPHOS sono tra le più frequenti cause di patologie degenerative. L'incidenza attualmente stimata è di 1/10000

La prima patologia mitocondriale è stata descritta nel 1962 dal patologo Luft ed è la malattia di Luft.

Nella malattia di Luft è stato osservato che una paziente di 35 anni, con una tiroide completamente funzionante, presentava un quadro clinico particolare con forte sudorazione, colpi di calore, astenia cioè debolezza muscolare. In quel periodo ancora non era stato sequenziato il dna mitocondriale e quello che indicò il patologo è che c'era una perdita di accoppiamento tra catene di trasporto degli elettroni e sintesi di atp. Questo voleva dire che il paziente consumava una grossa quantità di ossigeno senza determinare una produzione idonea di atp. L'energia veniva dissipata sotto forma di calore.Soltanto nel 1988, con l'avvento delle tecniche molecolari é stato possibile sequenziale e caratterizzare il dna mitocondriale.

Oggi si sa che alterazione della catena respiratoria sono alla base di insorgenza di determinate patologie quali possono essere malattie degenerative, malattie legate all'invecchiamento.

Alterazioni a carico del dna mitocondriale possono non essere responsabili ma coadiuvare in qualche modo la progressione di malattie oncologiche.

Struttura dei mitocondri

Funzioni dei mitocondri

I mitocondri sono piccoli organelli di una grandezza di 0,5 l um. Sono presenti in tutte le nostre cellule ad eccezione degli eritrociti maturi e sono formati da una membrana esterna ed una membrana interna che presenta delle anse sulla quale sono distribuite le subunitá proteiche che faranno fosforilazione ossidativa. Sulla membrana interna è presente una matrice sulla quale sono presenti i ribosomi e molecole del dna mitocondriale.

Il mitocondrio ricopre un ruolo importante perché all'interno avvengono molti meccanismi metabolici import come il ciclo di krebs. La presenza del dna mitocondriale permette una certa indipendenza del mitocondrio perché è in grado di sintetizzare tRNA, rRNA e fare sintesi proteica.

Molte proteine mitocondriali che regolano anche la vita del dna mitocondriale provengono dal dna nucleare. Queste proteine che sono sintetizzate dal dna nucleare e sono destinate al mitocondrio presentano una struttura particolare: al C-terminale presentano una sequenza che prende il nome di leader peptide. Questo leader peptide rappresenta una sorta di passaporto che gli permette di attraversare sia la membrana esterna che interna del mitocondrio che hanno un'altissima selettività nel fare entrare ed uscire determinati fattori.

Una volta che la proteina viene sintetizzata a livello del citoplasma, con il suo leader peptide attraversa le membrane e arriva all'interno del mitocondrio dove subisce un processo che consiste nel tagliare il leader peptide e trasformarla in proteina attiva destinata ad esplicare la sua funzione all'interno del mitocondrio.

I mitocondri sono il centro di numerosi processi catabolici di zuccheri, acidi grassi e proteine. In particolare il piruvato, glia cidi grassi e alcuni amminoacidi passano dal citoplasma all'interno del mitocondrio. L'acido piruvico viene trasformato in acetil-CoA e questo entra nel ciclo dell'acido citrico. Il risultato di tutto questo é la formazione di anidride carbonica ma soprattutto di NADH. Il NADH é una fonte di elettroni che viene trasferito a livello delle creste della membrana interna per iniziare la fosforilazione ossidativa che darà origine alle molecole di atp.

Come abbiamo già detto, la catena respiratoria é presente sulle creste della membrana interna del mitocondrio ed è formata da numerose subunitá proteiche le quali sono prodotte dal dna nucleare e dal dna mitocondriale.

Le subunitá proteiche si organizzano in 5 complessi rappresentati da:

• Complesso I= NADH deidrogenasi: formato da 30 polipeptidi di cui 7 prodotti direttamente dal mitocondrio
• Complesso Il= succitato deidrogenasi: formato da 4 polipeptidi nucleari
• Complesso Ill= citocromo c reduttasi: formato da 10 polipeptidi di cui 1 di origine mitocondriale
• Citocromo IV= citocromo c ossidasi: formato da 13 polipeptidi di cui 3 di origine mitocondriale
• Complesso V= atp sintasi= formato da 12 polipeptidi di cui 2 di origine mitocondriale.

Fosforilazione ossidativa (OXPHOS)

Nella fosforilazione ossidativa avviene che il NADH e il succitato vengono rispettivamente ossidati dal complesso I e dal complesso II. Gli elettroni che risultano da questa ossidoriduzione vengono trasferiti al coenzima Q che li traferisce al complesso III, che a sua volta li trasferisce al citocromo C; il citocromo C li trasferisce al complesso IV (qui abbiamo la riduzione di una molecola di ossigeno in due molecole di acqua). Contemporaneamente a tutto ciò i protoni H+ che vengono liberati da queste ossidoriduzioni sono pompati attraverso il complesso I, III, IV nell'interspazio che c'è tra la membrana interna ed esterna creando il gradiente protonico. Il gradiente protonico deve essere assolutamente difeso all'interno del mitocondrio perché ha una notevole importanza, in quanto una volta che si crea questo gradiente i protoni vengono nuovamente ripompati dal complesso V all'interno della matrice mitocondriale e l'energia che trasferiscono servirà, attraverso l'atpasi, a determinare la formazione delle molecole di atp.Il dna mitocondriale , completamente differente dal dna nucleare, é una molecola circolare a doppia elica formata da 16.569 paia di basi. All'interno di ogni mitocondrio possono esserci dalle 5 alle 10 copie di dna mitocondriale e dalle 10^3 alle 10^4 copie di dna mitocondriale per cellula.

Caratteristiche mtDNA

• Singolo anello a doppia elica di 16.569 bp
• 5 - 10 copie mtDNA/mitocondrio
• 103 - 104 copie mtDNA/cellula
• 37 geni: 24 RNA necessari per la sintesi proteica 22 tRNA 125 rENLA - 185 TRHA cytochrome b 2 rRNA (12S e 16S) 13 proteine, subunità enzimatiche della catena respiratoria regolazione della fosforilazione ossidativa Subunits of HADH derleydroga nane 3 ubunts of cytochrome c oxidace . Le polimerasi sono codificate dal DNA nucleare

Codifica per 37 geni:

• 24 sono RNA di cui 22 tRNA e 2 rRNA
• 13 geni restanti producono per proteine e subunitá enzimatiche che sono coinvolte nella catena respiratoria

Le polimerasi sono codificate dal dna nucleare.

Geni del mtDNA

• Polipeptidi di NADH deidrogenasi (7)
• Polipeptidi di citocromo C reduttasi (1)
• Polipeptidi di citocromo C ossidasi (3)
• Polipeptidi dell'ATP sintasi (2)
• rRNA dei ribosomi mitocondriali (2)
• tRNA transfer-RNA mitocondriali (22)

Mutazioni del mtDNA possono manifestarsi in malattie tutte correlate con la deficienza di ATP con sintomi correlati al distretti maggiormente colpiti

Mappa del mtDNA umano

Vediamo come il dna mitocondriale é completamente differente dal dna nucleare. Innanzitutto vediamo che ha una strutta circolare formata da D-Loop : reglene di controllo contenente 2 promotori IFNAJMN Subunits of NADH dehydrogenase IRNA Ser OIl - origine di replicazione strand II (sense orario) cytochrome b OL- origine di repficazione strand L (senso anti orario) ERNALEU