Adattamento Cellulare e Danno Cellulare

Presentazione sul tema: "Adattamento Cellulare e Danno Cellulare"— Transcript della presentazione:

1 Adattamento Cellulare e Danno Cellulare
Nabissi 2017

2 Lo stress viene definito come uno stimolo o una successione di stimoli che riescono a modificare l’omeostasi dell’organismo o cellulare. L’allarme viene percepito dall’organismo con l’iperproduzione di ormoni glucocorticoidi e mineralcorticoidi che inducono una fase di resistenza limitando o compensando l’azione dell’agente stressogeno. Nabissi 2017

3 Se gli stimoli sono prolungati o di forte intensità subentra una fase di esaurimento portando lo stato di malattia. La risposta cellulare comporta una modificazione dell’espressione genica e proteica in modo da produrre proteine necessarie alla resistenza e sopravvivenza cellulare. Nabissi 2017

4 I membri del gruppo HSP sono denominati in base alla grandezza:
In risposta a stimoli patologici le cellule mostrano una serie di alterazioni metaboliche note come RISPOSTA CELLULARE DA STRESS che consiste in REPRIMERE geni che codifica per proteine strutturali normali (GENI DI MANTENIMENTO) ed esprimere ad alto livello geni che codificano per proteine dotate di funzioni di organizzazione cellulare protettiva (GENI DELLO STRESS), fra cui il gruppo maggiore comprende le HEAT SHOCK PROTEIN (HSPs). I membri del gruppo HSP sono denominati in base alla grandezza: HSP: piccole proteine che agiscono come chaperon molecolari associandosi transitoriamente a proteine normali o alterate per proteggerle dal danno. Ubiquitina: proteina necessaria a rimuovere le proteine danneggiate o non funzionali mediante il meccanismo del PROTEOSOMA. Nabissi 2017

5 L'autofagia cellulare è un meccanismo cellulare di rimozione selettiva di componenti citoplasmatici.
L'autofagia permette la degradazione e il riciclo dei componenti cellulari. Durante questo processo i costituenti citoplasmatici danneggiati sono isolati dal resto della cellula all'interno di un autofagosoma. La membrana dell'autofagosoma fonde poi con quella di un lisosoma ed il contenuto viene degradato e riciclato. Nabissi 2017

6 Heat shock Proteins Stress cellulare: riprogrammazione dell’attività genica. Aumento della trascrizione dei geni delle HSP Chromosome puffing Tutti i membri della famiglia HSP contengono due domini alla loro estremità per associarsi in modo reversibile alle proteine da proteggere durante la condizione di stress cellulare. Sono definite CHAPERON MOLECOLARI in quanto “proteggono” particolari proteine e le rendono disponibili quando la cellula ne necessita ( fattori trascrizionali, chinasi, ecc..). Le HSP mantengono le proteine parzialmente denaturate, con un meccanismo ATP dipendente, in condizioni di danno cellulare, permettendone la rinaturazione quando lo stimolo lesivo è cessato. HSP hanno effetti protettivi contro i processi necrotici e apoptotici, ma la loro alta espressione nelle cellule tumorali rende queste cellule resistenti alla morte cellulare. Nabissi 2017

7 Le HSP vengono attivate dal fattore trascrizonale HSF (Heat Shock Factor) che riconosce sequenze specifiche sui promotori di molte HSP. L’attivazione delle HSP protegge le cellule soprattutto da necrosi e apoptosi inibendo i vari fattori coinvolti (caspasi, APAF-1). Nelle cellule tumorali HSP60, 70, 90 sono altamente espresse e inducono un meccanismo di protezione dal processo apoptotico, facilitando la proliferazione delle cellule tumorali. Nelle cellule, tessuti di organismi ad età avanzata HSP70 viene poco espressa dopo stimoli stressogeni, riducendo il potenziale protettivo della cellula stessa. Nabissi 2017

8 Il controllo dell’omeostasi proteica (PROTEOSTASI) è fornita grazie a chaperon che assistono i sistemi di maturazione e degradazione proteica (folding, ubiquitina-proteosoma, autofagia). Carenze nella omeostasi facilitano la manifestazione e progressione di patologie come neurodegenerazione (demenza, Parkinson), diabete tipo-2, fibrosi cistica, patologie cardiovascolari e cancro. Nabissi 2017

9 Nabissi 2017

10 SISTEMI OMEOSTATICI Nabissi 2017

11 Equilibrio acido-base
alti livelli di CO2 rendono il pH acido mentre bassi livelli lo rendono basico. Nabissi 2017

12 Nella regolazione renale, i reni intervengono nell’eliminazione degli acidi o basi in eccesso attraverso la formazione dell’urina. Mediante uno scambio di ioni bicarbonato e idrogeno tra il lume tubulare, le cellule tubulari ed i capillari peritubulari si ha un recupero dello ione bicarbonato ed un’escrezione nell’urina degli ioni idrogeno in eccesso. Inoltre all’acidificazione dell’urina contribuisce l’escrezione di NH3 , formatasi dalla glutammina. Quando nel sangue è presente un eccesso di bicarbonato, si ha una maggiore escrezione di questo ione rispetto allo ione idrogeno con conseguente formazione di urina alcalina. Nabissi 2017

13 L’acidosi respiratoria si ha con un aumento della CO2 e con conseguente abbassamento del pH, nel sangue causata da una ridotta eliminazione di CO2 da parte dei polmoni (es. insufficiente ventilazione polmonare). La produzione di ioni carbonato ed idrogeno e l’aumento di CO2, stimolano una iperventilazione con conseguente aumento del pH nel sangue, ma nei processi in cui la funzionalità polmonare è compromessa (broncopatie ostruttive, asma bronchiale, versamenti pleurici, ecc..), si puo’ arrivare ad una ulteriore riduzione dell’eliminazione di CO2 che puo’ causare coma e morte. Nabissi 2017

14 L’acidosi metabolica si ha quando un’alterazione dell’equilibrio acido-base è provocato da cause che non sono determinate da variazioni di CO2 nel sangue. In questa situazione si ha un aumento dell’acidità fissa, causata da ingestione di acidi o da un’eccessiva produzione di metaboliti acidi causata da danno renale o diabete. Altre cause possono essere un digiuno prolungato, shock che causa ipossia con attivazione del glicolisi anaerobica e produzione di acido lattico, insufficienza renale, diarrea profusa con perdita di ioni bicarbonato e conseguente abbassamento del pH nei liquidi biologici. Nabissi 2017

15 ACIDOSI METABOLICA Condizione caratterizzata da pH arterioso al di sotto della norma (pH arterioso < 7,35), riduzione della concentrazione plasmatica di HCO3- e solitamente iperventilazione alveolare compensatoria cui consegue diminuzione della pCO2. Nabissi 2017

16 L’alcalosi respiratoria si presenta in condizioni di eccessiva eliminazione di CO2 data da iperventilazione (patologie cardio-respiratorie, iperventilazione emotiva, ecc..). Nell’alcalosi metabolica, l’aumento di pH è causato da vomito incoercibile (eccessiva perdita di HCl), abuso di diuretici (perdita di ioni idrogeno nell’urina) od eccessiva ingestione di alcali (es. bicarbonato di sodio). Condizione caratterizzata da innalzamento del pH arterioso (pH arterioso > 7,45), aumento della concentrazione plasmatica del HCO3- e solitamente ipoventilazione alveolare compensatoria, cui consegue un aumento della PCO2 il pattern elettrolitico che si verifica solitamente nell'alcalosi metabolica comprende ipocloruremia, ipokaliemia e occasionalmente ipomagnesiemia. Nabissi 2017

17 Sintomi, segni e diagnosi
Le più comuni manifestazioni cliniche dell'alcalosi metabolica sono l'irritabilità e iper-eccitabilità neuromuscolare, forse dovute all'ipossia secondaria (aumento della dissociazione dell'ossiemoglobina). L'alcalosi provoca un aumento del legame proteico del Ca ionizzato, nonostante il Ca totale plasmatico rimanga immodificato; l'alcalosi grave può determinare una riduzione del Ca ionizzato così marcata da provocare tetania. L’alcalosi presso presenta anche ipokaliemia con conseguente debolezza muscolare, crampi, poliuria. Nabissi 2017

18 Nabissi 2017

19 Gli alimenti acidificanti hanno un prefisso (+) positivo
Gli alimenti alcalinizzanti hanno un prefisso (-) negativo Gli alimenti acidificanti hanno un prefisso (+) positivo Nabissi 2017

20 DANNO CELLULARE Nabissi 2017

21 Riduzione della fosforilazione ossidativa,
DANNO CELLULARE Danno cellulare reversibile: modificazioni funzionali e morfologiche, che sono reversibili se lo stimolo dannnoso viene rimosso. Riduzione della fosforilazione ossidativa, deplezione di ATP, rigonfiamento cellulare causato da variazioni della concentrazione ionica ed ingresso di acqua. Danno irreversibile e morte cellulare: la lesione diventa irreversibile perchè la cellula ha terminato la capacità di recupero. Le cellule vanno incontro a cambiamenti morfologici che sono conosciuti come morte cellulare NECROSI O APOPTOSI Nabissi 2017

22 Nabissi 2017

23 Nabissi 2017

24 Nelle cellule private di O2 o glucosio le proteine possono assumere
Il metabolismo energetico cellulare è alterato, in quanto la carenza di ATP viene sopperita dalla produzione di energia dalla via glicolitica, utilizzando i depositi di glicogeno. Questo processo che avviene in assenza o carenza di O2 porta all’accumulo di acido lattico che abbassa il pH cellulare, inattivando diversi enzimi. Una deplezione di ATP porta alla distruzione dell’apparato di sintesi proteica determinato dal distacco dei ribosomi dal reticolo endoplasmatico. L’insufficenza della pompa dello ione Ca2+ determina un ingresso di Ca2+ che puo’ causare fenomeni di morte cellulare. Nelle cellule private di O2 o glucosio le proteine possono assumere conformazioni alterate, generando una risposta da proteine non ripiegate, che puo’ indurre danno cellulare. Nabissi 2017

25 GLICOLISI Carenza di O2 Ciclo di Krebs Nabissi 2017

26 1 3 2 Nabissi 2017

27 Nabissi 2017

28 Nabissi 2017

29 Nabissi 2017

30 Nabissi 2017

31 PERDITA DELL’OMEOSTASI DEL CALCIO
Il Ca2+ intracellulare è mantenuto ad una concentrazione molto bassa rispetto ai livelli extracellulari, e la maggior parte del Ca2+ è sequestrato nei mitocondri e nel reticolo endoplasmatico. Un aumento del Ca2+ intracellulare, causato da un danno come l’ischemia, porta all’attivazione di enzimi con potenziali effetti deleteri per la cellula, come ATPasi ( che degradano ATP), fosfolipasi (che promuovono il danno di membrana), endonucleasi (frammentano il DNA) L’aumento di Ca2+ intracellulare induce anche permeabiltà mitocondriale ed apoptosi Nabissi 2017

32 MECCANISMI DI DANNO CELLULARE
Nabissi 2017

33 Anemica: causata da difetti nel trasporto di ossigeno
Anossia ed Ipossia Per anossia s’intende la mancanza totale di ossigeno, mentre comunemente si ha una carenza parziale di ossigeno (ipossia). L’ipossia viene classificata come ipossica, stagnante, anemica ed istotossica; Ipossica: causata dalla diminuzione della pressione parziale di ossigeno nel sangue arterioso, Stagnante: dovuta al ristagno di sangue nei tessuti causato da rallentamento del circolo sanguigno, Anemica: causata da difetti nel trasporto di ossigeno Istotossica: causata da inibitori della respirazione cellulare. Nabissi 2017

34 Nel caso, piu’ comune di avvelenamento da ossido di carbonio, oltre alla maggiore affinità del CO al ferro dell’emoglobina (a scapito dell’ossigeno), il CO blocca la respirazione cellulare inibendo la citocromo ossidasi. Altre condizioni di ipossia si hanno in condizioni di patologie respiratorie, come nell’insufficienza respiratoria ipossica in cui si ha una riduzione dello scambio di gas a livello alveolare a causa di alterazioni della membrana alveolo capillare dovute da aumento dello spessore della membrana, da diminuzione della superficie e da riduzione del microcircolo. Nel’insufficienza respiratoria ipoventilatoria (ipercapnico-ipossica), il polmone non è in grado di eliminare correttamente la CO2 che aumenta la sua concentrazione plasmatica a scapito dell’ossigeno. Nabissi 2017

35 organs with a single blood supply, such as the spleen.
Gli effetti dell’ipossia, oltre al danno respiratorio cellulare, comportano anche danni ad altre vie metaboliche (come il ciclo di Krebs) portando ad un accumulo intracellulare di metaboliti acidi (acido lattico, acetone) con conseguente acidosi. Inoltre sono estremamente importanti i danni neurologici che conseguono a pochi minuti di stato ipossico, con conseguenze a volte irreversibili o la cianosi, cioè il colorito bluastro della cute e delle mucose visibili causato da un’eccessiva concentrazione di emoglobina non ossigenata nel sangue capillare. White splenic infarct. This spleen has a white (“anemic”) infarct (arrowhead). White infarcts often occur in solid organs with a single blood supply, such as the spleen. Nabissi 2017

36 Le lesioni infiammatorie diventano spesso fortemente ipossiche.
Nell’obesità lo sbilanciamento tra il rifornimento e la domanda di ossigeno causa ipossia del tessuto adiposo, stimolando il rilascio di citochine e inducendo infiammazione. L’ infiltrato infiammatorio (macrofagi) e lo stato di infiammazione cronica promuove l’insulino resistenza L’ipossia stimola la produzione e rilascio di citochine infiammatorie e proteina C-reattiva Le lesioni infiammatorie diventano spesso fortemente ipossiche. Le cellule intestinali, sono normalmente ipossiche (proliferano batteri anaerobici) . Nelle infiammazioni intestinali l’intera mucosa diventa fortemente ipossica. Alti livelli di HIF-1a e2a sono riscontrati nelle biopsie intestinali . Nabissi 2017

37 ISCHEMIA L’ischemia è una condizione che si verifica in conseguenza di una riduzione o interruzione di apporto sanguigno ad un’area piu’ o meno vasta di tessuto causata da fattori estrinsechi (compressione) o intrinsechi (occlusione) di un vaso arterioso o come risultato di una drastica caduta della pressione arteriosa dovuta ad una emorragia. Gli effetti dell’ischemia dipendono dalla sua durata, dalla gravità, dalle caratteristiche dei singoli tessuti e dalle condizioni cellulari nel momento in cui si verifica l’ischemia (contenuto in glicogeno, attività e stato dei mitocondri). L’ischemia impedisce l’arrivo, nei tessuti, di ossigeno e di sostanze nutritizie compromettendo la produzione di energia (ATP) attraverso la glicolisi, a differenza dello stato di ipossia. Nabissi 2017

38 Quindi nei tessuti ischemici la produzione di energia si arresta con l’esaurimento dei substrati della glicolisi o nel momento in cui la glicolisi viene inibita dall’accumulo dei metaboliti che in condizioni normali vengono eliminati dal flusso sanguigno. La conseguenza biochimica dell’arresto della glicolisi, cioè della scomparsa del glicogeno e del mancato apporto sanguigno di glucosio, comporta un aumento di acido lattico nei tessuti con conseguente acidificazione dell’ambiente cellulare. Per questo motivo il danno ischemico è maggiore del danno ipossico. Shock-induced injury of the stomach. hemorrhages of the gastric mucosa (red-black spots) are due to shock. Nabissi 2017

39 Il danno ischemico, come quello ipossico induce:
difetto nella regolazione del volume cellulare causato dal blocco della pompa sodio-potassio ATP dipendente (con aumento dell’entrata di acqua e perdita di potassio), accumulo di acido lattico (ed altri metaboliti) con conseguente aumento del carico osmotico intracellulare aumento del calcio intracellulare dovuto al rilascio dello stesso dal reticolo endoplasmatico e dall’ingresso di calcio extracellulare. L’intervento terapeutico, piu’ ovvio, per evitare i danni causati da una condizione ischemica prolungata, è il ripristino del flusso sanguigno che comporta comunque (dipende dall’intensità e dalla durata dell’insulto ischemico) la morte di una parte delle cellule del tessuto ischemico. Questo fenomeno viene indicato come danno ischemico da riperfusione. Nabissi 2017

40 Il danno da riperfusione avviene principalmente per la formazione di radicali liberi dell’ossigeno, che si originano per opera dell’enzima xantina ossidasi che, con il ripristino del flusso sanguigno e della portata di ossigeno, trasforma l’ipoxantina (derivata dalla formazione di AMP durante il danno ischemico che viene convertito in inosina ed ipoxantina) in acido urico e formando contemporaneamente anione superossido. La superossido dismutasi converte l’anione in H2O2 dalla quale si puo’ formare OH-, creando un danno da stress ossidativo. Nabissi 2017

41 Nabissi 2017

42 Il danno ischemico si associa, spesso, a flogosi con produzione di citochine infiammatorie e molecole d’adesione leucocitarie ed endoteliali. La riperfusione comporta l’arrivo dei leucociti, presenti nel circolo sanguigno, nel tessuti ischemico con conseguente aumento dell’adesione leucocitaria. I leucociti adesi alle cellule endoteliali del tessuto ischemici producono ROS e tendono a formare dei tappi ostruenti che ostacolano il ripristino del flusso sanguigno. In ultimo, anticorpi IgG tendono a depositarsi nei tessuti ischemici e quando il flusso sanguigno viene ripristinato, la frazione del sistema del complemento si legano agli anticorpi attivando un danno cellulare ed una reazione infiammatoria. Nabissi 2017

43 Danno mitocondriale  I mitocondri sono i bersagli principali di molti tipi di danni cellulari, sia di natura endogena che esogena, che interferiscono con la respirazione cellulare, provocando alterazioni morfo-funzionali che coinvolgono la fosforilazione ossidativa e la produzione di ATP. Le forme primarie di lesione sono quelle causate da difetti genetici che comportano patologie mitocondriali (citopatie) con evidenti manifestazioni cliniche. Le lesioni si definiscono secondarie, quando dipendono da fattori esterni che impediscono il metabolismo dei mitocondri, bloccano reazioni specifiche, riducono fattori essenziali per le funzioni mitocondriali o perché comportano l’accumulo di metaboliti che interferiscono con il metabolismo mitocondriale. Nabissi 2017

44 Per quanto riguarda le lesioni primarie, bisogna ricordare che i mitocondri dello zigote derivano dall’ovocita e quindi il DNA mitocondriale (mtDNA) è di derivazione materna. Il mtDNA è di forma circolare, di piccole dimensioni e codifica per 13 proteine tutte coinvolte nella fosforilazione ossidativa. Inoltre il mtDNA è privo di istoni e molto suscettibile ai danni provocati dalle specie reattive dell’ossigeno (ROS) generate all’interno dei mitocondri, quindi il mtDNA è soggetto ad un elevato numero di mutazioni. Siccome le mutazioni coinvolgono solo alcuni mitocondri, nella stessa cellula possono essere presenti mitocondri mutati e sani (eteroplasmia), fenomeno che comporta lo sviluppo di una patologia mitocondriale solo quando il fenotipo mutato supera il fenotipo normale. Nabissi 2017

45 Comunque la maggior parte delle mutazioni interessano il processo della fosforilazione ossidativa che comportano patologie di tre tipi: Deficit di produzione di energia, con dissesto energetico che colpisce principalmente il tessuto nervoso e muscolare. Eccessiva generazione di ROS, causato da un accumulo di elettroni che reagendo con l’ossigeneo comportano la produzione di ROS Innesco dell’apoptosi, che mediante una eccesiva produzione di ROS induce un ingresso di calcio che permette l’apertura di canali aspecifici nella membrana mitocondriale (poro di transizione di membrana) con conseguente rilascio di fattori apoptotici Nabissi 2017

46 Nabissi 2017