Appunti del Corso di Patologia e Fisiopatologia Generale del Professor E. Albano
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Università degli Studi del Piemonte Orientale A. Avogadro
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia
Appunti del Corso di Patologia
e Fisiopatologia Generale del
Professor E. Albano
- PARTE 1 -
A.A. 2013/2014
INDICE PATOLOGIA
PATOLOGIA ED EZIOLOGIA........................................................................................................3
Eziologia generale...........................................................................................................................4
CAUSE CHIMICHE DELLA MALATTIA.....................................................................................5
Meccanismi di biotrasformazione degli xenobiotici....................................................................7
Reazioni di fase I.........................................................................................................................7
Reazioni di fase II.......................................................................................................................7
Attivazione metabolica degli xenobiotici..................................................................................8
Polimorfismi di cyp2D6 ed alterazioni del metabolismo dei farmaci....................................9
I radicali liberi nella patogenesi delle malattie..........................................................................10
La bilancia ossidativa...............................................................................................................11
Stress ossidativo........................................................................................................................12
Effetti citotossici dei radicali liberi.........................................................................................13
CAUSE FISICHE DI MALATTIA.................................................................................................14
Patologie da trasferimento di energia elettromagnetica...........................................................14
Patologie indotte da radiazioni ionizzanti..............................................................................16
Patologie indotte da radiazioni eccitanti................................................................................17
RISPOSTA DELLE CELLULE AL DANNO................................................................................19
Risposta funzionale allo stress ossidativo...................................................................................20
Autofagia e danno cellulare.........................................................................................................21
Malfunzionamento e insufficienza dei meccanismi di difesa................................................23
Necrosi.......................................................................................................................................23
Apoptosi.....................................................................................................................................26
Catastrofe mitotica...................................................................................................................29
Risposta adattativa delle cellule al danno..................................................................................30
La rigenerazione epatica..........................................................................................................31
Caratteristiche dell’ipertrofia cardiaca..................................................................................32
Metaplasia.................................................................................................................................34
Displasia....................................................................................................................................34
BETA-FIBRILLOSI E MALATTIE NEURODEGENERATIVE...............................................35
Amiloidosi......................................................................................................................................35
Processo di generazione della sostanza amiloide...................................................................36
Conseguenze dell’amiloidosi....................................................................................................37
Malattie da prioni.........................................................................................................................37
Neurofibrillosi...............................................................................................................................39
Malattia di Alzheimer(AD)......................................................................................................39
Morbo di Parkinson.................................................................................................................42
Morbo di Huntington...............................................................................................................43
L’INVECCHIAMENTO..................................................................................................................44
Invecchiamento delle cellule perenni......................................................................................44
Invecchiamento delle cellule labili..........................................................................................45
Modificazioni della matrice.....................................................................................................45
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PATOLOGIA ED EZIOLOGIA
La Patologia Generale mira a comprendere i meccanismi molecolari e cellulari che sono alla base
della comparsa della malattie.
Secondo l’OMS(Organizzazione Mondiale per la Sanità) la salute è “uno stato di benessere fisico,
mentale e sociale completo, non l’assenza di malattia”.
Per malattia s’intende qualsiasi alterazione strutturale o funzionale di un tessuto o di un organo
capace di ripercuotersi sull’economia generale dell’organismo; essa è considerata l’antitesi dello
stato di salute.
Le malattie possono essere distinte per la loro localizzazione in:
focale: legate a specifiche aree o
tessuti
diffusa: che riguardano un intero
organo
disseminata: che colpisce tessuti
diversi
sistemica: che interessa un intero
apparato
generalizzata: comprende tutto
l’organismo
Inoltre la malattia può essere studiata su diversi livelli, con approcci di vario tipo:
di popolazioni(epidemiologia)
di individuo(medicina clinica)
di sistema o organo(fisiopatologia)
di tessuto(istopatologia)
di cellule(citopatologia)
di organelli(biochimica)
di molecola(biofisica)
di geni(biologia molecolare)
I principali criteri di classificazione sono:
topografico(localizzazione anatomica della zona interessata)
anatomica(organo prevalentemente interessato)
funzionale(sulla base della/e funzione/i maggiormente compromessa)
patologico( natura della malattia)
eziologico(in relazione alla causa)
patogenetico(meccanismo patogenetico prevalente)
epidemiologico(in relazione a dati statistici riguardanti l’incidenza).
Della malattia possiamo studiare frequenza e distribuzione, le cause determinanti, i meccanismi
mediante i quali si sviluppa, i sintomi e il decorso e le possibili cure.
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Eziologia generale
L’eziologia è la disciplina che studia gli stimoli patogeni o i fattori di malattia.
Nei confronti dell’organismo, la malattia può essere:
determinante: se l’agente da solo può produrre malattia
coadiuvante: se l’agente facilita l’azione di un'altra causa(concausa);
nei confronti della malattia, l’organismo può essere:
recettivo: se subisce le conseguenze
refrattario se non ne risente
resistente: se si difende
I fattori eziologici possono essere: intrinseci(o genetici) ed acquisiti(fisici, chimici, alimentari o
biologici); le malattie possono avere una totalità di causa intrinseca od estrinseca, ma nella maggior
parte dei casi sono multifattoriali(combinazione dei due tipi di fattore in grado variabile).
Uno dei criteri per comprendere l’influenza del
contenuto multifattoriale nella patogenesi della
malattia è l’analisi della concordanza nella
comparsa di alcune malattie fra gemelli omo e
dizigoti: la concordanza è analoga per malattie
ad eziogenesi esclusivamente esogena(es.
infezione acuta), mentre nella patologie con
forte influenza genetica(es. malattie
psichiatriche come la deficienza mentale) si ha
sbilanciamento verso i gemelli monozigoti.
Le malattie multifattoriali, come patologie cardiovascolari, diabete e tumori, costituisco attualmente
il 90% delle cause di morte.
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CAUSE CHIMICHE DELLA MALATTIA
Le cause chimiche agiscono mediante due meccanismi principali:
aspecifici: prescindono dal tessuto e riguardano le proprietà chimico-fisiche della sostanza
(es, effetto solvente di acidi e basi forti o azione degli agenti alchilanti).
specifici: legati all’interazione della sostanza tossica con specifiche molecole bersaglio a
livello tissutale e cellulare(es. acido cianidrico HCN, lega il citocromo c complessandosi con
il ferro del gruppo eme e blocca la catena respiratorie; es. monossido di carbonio CO che
lega l’emoglobina sempre complessandosi al ferro dell’eme e determina ipossia tissutale; es.
colchicina, antiblastico che interferisce con la polimerizzazione dei microtubuli bloccando il
trasporto e la mitosi)
Tra gli agenti chimici con azione dannosa sulle cellule si annoverano anche numerose tossine
naturali:
Tetrodotossina, potente neurotossina prodotta da alcuni pesci tropicali (pesce palla), che
interrompe in pochi istanti la conduzione nervosa bloccando i canali del sodio voltaggio
dipendenti.
Tossina Colerica prodotta da vibrioni, è formata da due sub unità A e B, la prima capace di
traslocare nel citosol e di legare la proteina g coinvolta nell’attivazione di adenilato ciclasi, la
seconda legante uno specifico recettore sulle cellule enteriche; tramite aumentata sintesi di
AMPc determina eccessiva perdita di acqua e sali e causa diarree irrefrenabili.
Tossine Botulinica e Tetanica, largamente impiegate nella cosmesi, sono prodotte da batteri
anaerobi in gradi di infettare i tessuti; sono proteasi in grado di tagliare proteine connesse con
l’agganciamento delle vescicole nelle sinapsi; presentano tuttavia effetto diverso, poiché
agiscono su bersagli differenti: la tossina botulinica è coinvolta nella sinapsi neuro
muscolare, impedendo l’azione del motoneurone terminale il rilascio di acetilcolina e
determinando quindi paralisi flaccida, mentre la tossina tetanica agisce sui motoneuroni delle
corna anteriori del midollo accentuando il rilascio di acetilcolina e determinando paralisi
spastica.
Affinché i tossici possano svolgere il loro ruolo è essenziale il loro ingresso nell’organismo.
Possono penetrare in diversi modi, a seconda della struttura della sostanza tossica stessa(tratto
gastrointestinale, polmoni, cute e annessi, via parenterale); le sostanze ricircolano poi in sangue e
linfa e subisco una serie di trasformazioni che ne permettono l’immagazzinamento(in ossa, tessuto
adiposo e tessuti molli) o l’eliminazione(tramite feci,
urina, aria espirata, secrezioni e latte). La concentrazione
di queste sostanze nel sangue è in equilibrio con la
concentrazione sul bersaglio molecolare.
L’azione lesiva degli agenti chimici è influenzata dalle
caratteristiche chimico-fisiche del composto, dalla dose,
dal sito di somministrazione e dalla durata
dell’esposizione, dalla distribuzione tissutale, dalla
trasformazione metabolica subita, dall’eliminazione e
dalla modalità del danno.
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Il rapporto tra la dose e la risposta alla sostanza è
importante per valutarne la tossicità.
La dose soglia corrisponde all’ultimo valore per
il quale non si hanno effetti; la dose efficace 50 è
la quantità che determina una risposta nel 50%
degli animali trattati, mentre la dose di
saturazione equivale alla dose massimale, per cui
anche aumentando la quantità somministrata non
si ha variazione della risposta poiché tutti in
recettori sono occupati.
Sulla base della dose letale 50(DL50) è possibile
definire una scala di tossicità,che dimostra come tutte le sostanze siano tossiche a determinate dosi.
Si nota come molte sostanze naturali siano tossiche: ciò dimostra come l’origine non da indicazioni
sulla lesività.
La tossicità può essere acuta o cronica secondo la modalità tramite la quale si esplica.
La tossicità acuta origina da un rapido assorbimento di sostanze tossiche in dosi elevate, di solito
singole; i sintomi che ne derivano sono il risultato dell’interazione del tossico con specifiche
funzioni cellulari, hanno una rapida insorgenza e una rapida evoluzione verso la morte o la
guarigione.
es. il fungo Amanita Phalloides contiene peptidi ciclici del gruppo fallotossine e amatossine che
causano danni importanti a carico del fegato, fino a necrosi epatica, anche se la sintomatologia è
tardiva; sono sufficienti 100g di funghi freschi ad uccidere un uomo di 75kg di peso.
La tossicità cronica deriva da ripetute esposizioni per un prolungato periodo di tempo ad una
sostanza che ha tendenza ad accumularsi nell’organismo in quanto la cinetica di assorbimento
accede la capacità di eliminazione o perché causa un accumulo progressivo di danni a livello dei
tessuti bersaglio.
es. intossicazione cronica da piombo, definita saturnismo, che dà luogo ad anemia ed emolisi, oltre
che a coliche intestinali, neuropatie periferiche ed acidosi tubulare renale(Sindrome di Fanconi),
quadro sintomatologico dovuto a d interazione della sostanza, accumulata principalmente a livello
osseo, con i gruppi –SH delle proteine; nei bambini determina anche la comparsa di strie da piombo
ipofisarie ed encefalopatia.
Per alcune sostanze sono possibili entrambe le azioni: l’alcool ad esempio, può causare effetti
psicotropi dati dall’assunzione acuta, quali disinibizione, rallentamento dei riflessi, torpore,
incoordinazione dei movimenti e depressione dei centri respiratori, ma è anche responsabile di
effetti organici conseguenti ad assunzione cronica, i quali coinvolgono sistema nervoso, fegato,
pancreas, apparato digerente, cuore, muscoli e ghiandole endocrine. Discorso analogo è quello
relativo ad intossicazioni da micotossine: i funghi del genere Aspergillus possono contaminare i
semi immagazzinati di cereali e legumi tramite liberazione di aflatossine b e g ad attività
epatotossica, ma possono anche concorrere all’insorgenza di tumori.
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Meccanismi di biotrasformazione degli xenobiotici
Spesso l’azione dei tossici coincide con quella degli xenobiotici, intesi come qualsiasi sostanza
estranea all’organismo.
Gli xenobiotici devono subire processi di
trasformazione per poter essere accumulati
od eliminati. I meccanismi di trasformazione
dipendono dalle caratteristiche dello
xenobiotico stesso: se è idrofilo la via di
eliminazione sarà prevalentemente quella
gastroenterica o urinaria, mentre se è
lipofilico tende ad accumularsi nel tessuto
adiposo. La maggior parte sono lipo-idro
solubili, e sono eliminati con reazioni di fase
1 o di funzionalizzazione e di fase 2 o di
coniugazione.
Reazioni di fase I
Sono reazioni che introducono in una molecola gruppi polari che ne modificano la struttura
aumentandone la polarità. Sono catalizzate da enzimi diversi con differenti specificità(monoammine
ossidasi, aromatasi, monossigenasi, alcool deidrogenasi); il ruolo più importante è svolto da
monossigenasi citocromo P450 dipendenti e FAD dipendenti che operano nel reticolo
endoplasmatico, poiché catalizzano molte reazioni diverse e sono parte di sistemi costituenti catene
di trasporto, aventi come donatore NADPH e come accettore flavoproteine; il citocromo P450
contiene un atomo di ferro nel gruppo prostatico eme che lega l’ossigeno e il substrato; il flusso
elettronico prende inizio dal NADPH e attraverso la flavo proteina NADPH-CitP450 reduttasi)
arriva al citocromo. Gli elettroni vengono trasferiti uno alla volta: il primo riduce il ferro da ferroso
(Fe2+) a ferrico(Fe3+) e permette il legame con l’ossigeno, mentre il secondo scinde la molecola di
ossigeno dando luogo a specie instabili che portano all’introduzione di un atomo di ossigeno nel
sito reattivo con rilascio, infine, di acqua.
La reazione può essere così schematizzata: R + O2 + NADPH2 ROH + H2O + NADP+
Le molecole che si legano al sito attivo sono molto eterogenee; esistono infatti una famiglia di
enzimi che presentano stessa struttura, ma specificità diversa, e sono classificati in sottofamiglie
sulla base della sequenza amminoacidica(l’uomo ne possiede circa 150 isoforme diverse).
Il metabolismo degli xenobiotici è mediato essenzialmente dalle prime quattro famiglie(localizzate
principalmente in fegato, cute, rene e polmone); inoltre, questi enzimi, sono inducibili, ossia la loro
attività aumenta in risposta alla disponibilità di substrato(questo giustifica l’aumento di tollerabilità
dovuta ad esposizioni piccole e continue es. metabolismo di etanolo, caffeina e paracetamolo).
Reazioni di fase II
I prodotti degli enzimi di fase 1 e i composti idrosolubili possono essere trattati da enzimi di fase 2,
i quali legano una molecola endogena al substrato.
Le reazioni di coniugazione sono molto diverse e per ognuna esiste un preciso gruppo di enzimi.
es. il benzene viene trattato da citP450 con aggiunta di –OH e formazione di un fenolo; nel fegato
viene addizionato all’acido uridindifosfoglucuronico ad opera dell’enzima UDP glucuronil
transferasi che lo rende molto idrosolubile e facilmente eliminabile con l’urina.
es. il clorobenzene(o il bromobenzene) viene trasformato in epossido da enzimi citP450 dipendenti;
successivamente è aperto e coniugato al glutatione ad opera dell’enzima glutatione transferasi sui
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residui di cisteina, che spesso vengo spezzati per abbassare il peso molecolare ed eliminati come
mercaptoderivati.
Le reazioni di fase 2 si svolgono in parallelo alle reazioni di fase 1 e spesso gli enzimi vengono
indotti insieme. Più gli enzimi sono attivi, più l’eliminazione xenobiotica è efficace.
A livello cellulare un altro meccanismo di difesa è legato alla presenza di specifici trasportatori,
quali gli MDR(Multi Drug Resistence), che utilizzando ATP allontanano molecole dalla cellula e
sono coinvolti nella difesa per molteplici antiblastici usati come chemioterapici(come taxolo,
vinblastina ecc..).
Attivazione metabolica degli xenobiotici
Quando, durante la modificazione dello xenobiotico, un enzima di fase 1 produce molecole più
reattive di quella originaria si parla di attivazione dello xenobiotico.
Un esempio può essere dato dal paracetamolo, principio attivo di numerosi antinfiammatori e
antidolorifici, che per l’80% viene eliminato con
reazioni di solfatazione o glucuronazione da parte di
enzimi di fase 2; tuttavia, una piccola parte, circa il
5%, è metabolizzato da enzimi citP450
dipendenti(enzimi di fase 1) che generano un
composto di ossidazione, la benzodionemina, molto
reattivo, il quale si combina con proteine e lipidi
formando comporti di addizione. Il paracetamolo in
alcune condizioni diventa particolarmente tossico: la
dose fisiologica è di circa 4-6 mg al die, e intorno ai
10mg diventa letale; una buona parte è infatti
eliminata con la glutatione transferasi, ma se presente
in quantitativi così elevati non è sufficiente; provoca
quindi necrosi cellulare, soprattutto a livello epatico,
dove si determina un’intossicazione da paracetamolo
con insufficienza epatica acuta. L’antidoto è la N
acetil cisteina, che sostituisce il glutatione, ma
dev’essere somministrata in alte dose nelle prime fasi
di intossicazione. Oltre alla tossicità dovuta la sovradosaggio, il paracetamolo può diventare tossico
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anche in caso di malnutrizione, ossia quando gli enzimi di fase 2 non funzionano correttamente per
carenza di substrati. Negli alcolisti la via del citocromo P450 è molto attiva.
La tossicità di un farmaco può quindi essere legata all’equilibrio che si instaura tra enzimi di fase 1
ed enzimi di fase 2.
I processi di attivazione metabolica hanno un ruolo importante nella cancerogenesi. Il benzopirene è
una molecola stabile, ma diventa cancerogena a causa di un intermedio elettrofilo, l’epossido 7,8,
prodotto dall’azione successiva di un enzima citP450 dipendente, di una epossido idrasi e
nuovamente del P450 dipendente; questo si lega al DNA e può provocare tumore(soprattutto
riguardante cute e polmone). Anche in
questa condizione esistono specifici
enzimi di fase 2 che esercitano protezione
dai metaboliti reattivi(riducono
l’insorgenza di carcinomi negli esposti).
In alcuni casi i metaboliti reattivi possono
scatenare reazioni allergiche tramite
generazione di addotti con le
proteine(molecole self viste come non self,
contro le quali viene prodotta una
risposta).
es. l’adotano(anestetico generale): una piccola quota può essere attivata con distacco del residuo di
bromo e con formazione di un metabolita che lega i gruppi –NH 3 delle proteine e può essere causa
di epatiti autoimmuni.
Polimorfismi di cyp2D6 ed alterazioni del metabolismo dei farmaci
Il metabolismo dei farmaci può presentare grande variabilità nei diversi individui, per questo il
dosaggio di molti farmaci deve essere “personalizzato”.
Coinvolti in questi meccanismi sono appunti gli enzimi deputati alla trasformazione degli
xenobiotici.
es. Valutando la risposta alla somministrazione di farmaci antipertensivi nella popolazione si nota
come ogni paziente reagisca in modo diverso; è possibile, in particolare, distinguere i soggetti in tre
gruppi principali: la maggioranza è composta dai cosiddetti metabolizzatori veloci, ossia da coloro
nei quali è possibile valutare un certo abbassamento pressorio; un gruppo minore è invece quello
costituito dai metabolizzatori lenti, per i quali sono sufficienti quantità di farmaco inferiori; il terzo,
piccolo, gruppo è invece quello dei metabolizzatori molto rapidi, ai quali sarà necessario
somministrare dosi di farmaco aumentate, data la bassa risposta alla dose consigliata.
Spesso risulta essenziale verificare l’appartenenza del soggetto ad una delle categorie diverse dai
metabolizzatori veloci prima dell’inizio della terapia.
I metabolizzatori lenti sono portatori di modificazioni puntiformi sul gene di cyp2D6, mentre i
metabolizzatori molto rapidi presentano duplicazioni che interessano sempre lo stesso gene.
Osservando quest’ultima mutazione si è notato come
essa abbia una particolare distribuzione geografica, con
alta frequenza nel Sudan, nel Corno d’Africa e nella
Penisola Arabica; si è quindi supposto come tale
duplicazione possa essere il risultato di un adattamento
ad abitudini dietetiche con alto consumo di alcaloidi, il
cui metabolismo coinvolge appunto cyp2D6.
Esistono anche alterazioni del metabolismo dell’etanolo,
dovute a polimorfismi del cytP450: questo composto è
substrato prima di un enzima di fase 1, l’alcool
deidrogenasi ADH, che lo trasforma in acetaldeide, la
quale diventa a sua volta bersaglio di acetaldeide deidrogenasi ALDH, enzima di fase 2. Nei Paesi
Orientali è frequente una mutazione del gene che codifica per l’ALDH, che si associa ad
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ipofunzionalità dell’enzima; questo provoca un accumulo di acetaldeide nel sangue con insorgenza
di una patologia conosciuta come Flushing Syndrome, caratterizzata da arrossamenti cutanei, nausea
e vomito.
I polimorfismi possono infine riguardare anche enzimi coinvolti nel metabolismo di alcuni farmaci
miorilassanti, come la pseudosuccinilcolina esterasi.
I radicali liberi nella patogenesi delle malattie
I radicali liberi sono atomi o molecole presentanti un elettrone spaiato
nell’orbitale esterno; godono quindi di estrema reattività(alcuni sono
però stabili, come la melanina nei capelli) ed emivita molto breve. Sono
indicati con R∙.
Questo elettrone in eccesso o in difetto conferisce caratteristiche di
paramagneticità(i radicali sono infatti rilevabili come magneti).
I radicali liberi si formano mediante meccanismi diversi:
rottura di un legame covalente (es. radiazioni ionizzanti) A-----B A∙ + B∙
reazioni redox (es. emoglobina metaemoglobina) Hb-Fe2+ Hb-Fe3+ + O2∙
interazione con un radicale preesistente (reazioni conservative) A∙ + BH AH + B∙
Le reazioni radicali che implicano perdita o acquisizione di un solo elettrone, a differenza delle
redox dove ne vengono scambiati due, quindi i radicali tendono a privilegiare reazioni che
coinvolgono molecole in grado di cedere un solo elettrone, come metalli di transizione,
ossigeno(con formazione di perossidi) e molecole organiche.
Se due radicali reagiscono tra di loro si hanno reazioni di terminazione, da cui non si originano più
composti radicalici.
Le reazioni che coinvolgono l’ossigeno sono particolarmente favorite dai radicali a causa della
configurazione dell’elemento stesso allo stato basale, detta a tripletto, che è infatti un diradicale
libero, poiché possiede due elettroni spaiati nello strato più esterno. Esso può essere trasformato in
acqua attraverso diversi passaggi che coinvolgono un solo elettrone alla volta, poiché i due elettroni
più esterni presentano spin analogo e nessuna molecola è in grado di cedergli due elettroni; la
presenza di ossigeno nell’atmosfera coincide, in
questo senso, con lo sviluppo dei microrganismi, che
sfruttano il salto energetico tra ossigeno ed acqua.
Tuttavia, per quanto concerne questa trasformazione,
si ha un inconveniente esercitato del fatto che nel
processo di passaggio degli elettroni si possono
generare intermedi fortemente reattivi(specie reattive
dell’ossigeno, ROS): la riduzione di un elettrone
forma l’anione superossido O2-∙ mentre la riduzione
di due elettroni non forma un radicale, bensì lo ione
perossile O22-, che è però un’importante fonte di
specie reattive. Ancor maggiore reattività presenta
l’ossigeno singoletto, il quale non presenta
limitazione di spin.
L’acqua ossigenata può essere prodotta a partire da due ioni superossido O 2- + O2- H2O2 , la
quale può dare origine ad uno ione ossidrile OH- per degradazione in presenza di metalli di
transizione, seguendo la reazione di Fenton H2O2 + Fe2+ Fe3+ + OH- + OH∙ ; si può poi
riottenere il metallo di transizione usato in questo procedimento secondo la reazione di Haber- Weis
10O2- + Fe3+ Fe2+ + O2 ; il complesso di reazioni prende il nome di complesso di Fenton- Haber-
Weis.
Le fonti di ROS a livello cellulare sono numerose:
La catena respiratoria mitocondriale: nel passaggio dal complesso II al complesso III e delle
proteine leganti il ferro fino al citocromo c. In alcune condizioni, come la sindrome di
riperfusione o le infezioni da HIV, i danni dei ROS sono molto elevati.
La catena respiratoria microsomiale del cit P450 nel metabolismo degli xenobiotici, dove
l’ossigeno accetta elettroni sia nella normale catalisi, ma anche in assenza di substrato per
certi enzimi; la via può per esempio generare radicali nel caso del metabolismo di alcuni
xenobiotici, quali il tetracloruro di carbonio CCl4.
Anche l’alcool può essere trasformato in radicale durante la metabolizzazione
epatica(insorgenza della epatopatia alcolica) CH3CH2OH CH3CH∙OH
Alcuni composti come erbicidi o antiblastici sono in grado di indurre la formazione di ROS,
in quanto vanno incontro a cicli ossido riduttivi e passano da chinoni semiridotti con
caratteristiche radicaliche che sono poi in grado di attivare l’ossigeno ad anione superossido.
Le cellule fagocitarie durante l’infiammazione rispondono con la produzione di ROS causato
dal massiccio incremento del consumo di ossigeno indipendente dalla respirazione, dovuto
all’aggregazione in membrana del complesso NADPH ossidasi con funzioni regolatorie e con
capacità di trasporto degli elettroni per generare anione superossido usando NADPH derivato
dal ciclo dei pentosi; i ROS prodotti in questo contesto sono responsabili dei danni tissutali
tipici dell’infiammazione, da cui derivano malattie infiammatorie croniche e acute distress
syndrom.
Fattori che regolano il tono vasale, come il monossido d’azoto NO che è formato da un
complesso enzimatico di cui esistono 3 isoforme, costitutiva, epiteliale e inducibile; NO può
interagire con l’anione superossido e formare nitroperossidi(NOO∙).
I radicali sono però molto importanti perché svolgono numerose funzioni fisiologiche all’interno
della cellula:
difesa da patogeni
segnalazione intracellulare
regolazione del tono vascolare
regolazione dell’adesione piastrinica
regolazione di emopoiesi e angiogenesi
sintesi di prostaglandine e di leucotrieni
attivazione della risposta immunitaria
La bilancia ossidativa
Esiste un preciso equilibrio tra formazione di ROS e sistemi antiossidanti.
Le difese possono essere distinte in enzimatiche e non enzimatiche.
Le difese non enzimatiche sono piccole molecole presenti nei liquidi e nelle membrane, che
possono cedere elettroliti ai radicali inattivandoli(l’antiossidante è sufficientemente stabile da non
reagire con altri sistemi); queste possono essere a loro volta classificate in idrosolubili,
comprendenti ad esempio glutatione, acido ascorbico e acido urico(la concentrazione di
quest’ultimo è molto elevata nel plasma umano proprio per la sua attività antiossidante) e in
liposolubili, come la vitamina E(svolge funzione antiossidante per i residui di –OH e si localizza
nelle membrane grazie alla catena idrofobica ed agisce eliminando radicali generati nelle catene di
acidi grassi polinsaturi), i carotenoidi, l’ubichinone e la bilirubina. Interagiscono tutte con le
molecole radicaliche nei siti in cui vengono prodotte e la loro efficacia dipende dalla concentrazione
e dai meccanismi tramite cui vengono sintetizzate.
Le difese enzimatiche sono invece costituite da diversi enzimi:
11 superossido dismutasi, di cui esistono 3 isoforme: quella citoplasmatica contiene zinco e
magnesio, quella mitocondriale contiene manganese e quella extracellulare che contiene
zinco. Elimina i superossidi, ma produce acqua ossigenata, che deve essere comunque
eliminata.
2O2- + 2H+ O2 + H2O2
catalasi, che presenta Km molto elevata e quindi, viste le alte concentrazioni di acqua
ossigenata in tutti i distretti, è poco efficace.
2H2O2 O2+ 2H2O
glutatione perossidasi, la quale esiste in due isoforme, citoplasmatica e di membrana, e che
presenta elevata affinità anche a concentrazioni molto basse. E’ strettamente dipendente dalla
disponibilità di glutatione; è quindi necessario un enzima per riossidarlo.
ROOH + GSH ROH + GSSG + H2O
+
glutatione reduttasi GSSG + 2NADPH 2GSH + NADP
Strettamente legata a questi enzimi è una
patologia conosciuta con il nome di favismo.
Essa è causata da una mutazione a carico del
gene che codifica per l’enzima glucosio 6
fosfato deidrogenasi G6PD; i soggetti affetti da
questo deficit presentano, in seguito
all’ingestione di fave, crisi emolitiche con
anemia acuta e emoglobinuria(con conseguenti
danni renali). Le fave contengono infatti la
divicina, glucoside che se ingerito subisce cicli
di ossidoriduzione e forma lo ione superossido,
il quale viene convertito in acqua ossigenata;
non è tuttavia possibile rigenerare il glutatione
necessario alla glutatione perossidasi, per
mancanza del substrato NADPH della
reduttasi, che normalmente viene riformato da
G6PD, di cui in questo caso si ha
malfunzionamento.
A questi sistemi principali se ne aggiungono altri:
tioredoxina, molto importante a livello cutaneo per i danni indotti dai raggi ionizzanti.
Prot-S-S + 2GSH Prot-SH + GSSG
emeossigenasi, che si occupa della degradazione dell’eme, il quale sarebbe molto più reattivo
del ferro libero.
Nel sangue, inoltre, sono presenti diversi fattori protettivi, quali:
aptoglobina/emopessina che legano emoglobina e mioglobina
transferrina che lega ioni ferro
albumina che lega ioni rame
acido urico che ha importante funzione di scavenger
bilirubina, prodotta dal metabolismo dell’eme, e che si associa alla riduzione degli acidi
grassi
Stress ossidativo
Si ha stress ossidativo quando si determina uno squilibrio
nella bilancia ossidativa, per eccesso della produzione di
ROS o per la riduzione di difese antiossidanti, che
12determina l’insorgenza di un danno cellulare. Se il danno è moderato può essere riportato
l’equilibrio, mentre se è forte e cronico si determina morte cellulare.
A livello cellulare, i radicali agiscono su tre strutture principali:
- proteine, su cui inducono frammentazione, aggregazione e ossidazione dei gruppi –SH; parte di
questi danni possono essere riparati da enzimi, altri sono controllati dalle foldrine, ma più spesso le
proteine modificate sono denaturate e accumulate nel citosol a formare aggregati.
- acidi nucleici, su cui determinano ossidazione, dimerizzazione di basi e ossidazione dello
scheletro fosfocarbossilico. I danni possono essere riparati mediante riassemblaggio casuale per
quanto concerne il DNA, mentre sulle basi intervengono MER e BER; possono produrre danni
genotossici, alla base dello sviluppo di numerose neoplasie.
- acidi grassi polinsaturi, contenuti in tutti gli alimenti, tendono a ossidarsi spontaneamente; per
questo motivo gli antiossidanti sono usati come conservanti. Tale ossidazione spontanea viene
definita perossidazione lipidica ed è una reazione autocatalitica per la quale si crea una particolare
struttura(doppi legami intervallati da carboni metilici) facilmente modificabile con sottrazione di un
idrogeno e trasformazione in un radicale libero. Tale radicale
lipidico tende a cambiare conformazione ed ad addizionare
l’ossigeno; si forma un radicale lipoperossilico estremamente
reattivo, che coinvolge i lipidi vicini e si trasforma in
lipoperossido, molecola instabile che va incontro a
riarrangiamenti generando prodotti di reazione a basso peso
molecolare e contenenti ossigeno, quali aldeidi,chetoni,
chetoidrossiacidi e cicloidroperossidi. Alcuni di questi composti
possono diffondere lontano dal sito di produzione: un esempio ci
è dato dalle elevate concentrazioni di tali prodotti nel siero di
soggetti con abuso di alcool. Nelle membrane la vitamina E
previene questo processo, interrompendolo; se il meccanismo non
viene controllato, i danni per la membrana sono cospicui: si può
avere inserimento di cariche polari portate all’esterno,
alternazione della fluidità od ossidazione delle proteine sulla
membrana.
Possono crearsi addotti per l’interazione tra proteine e prodotti della perossidazione lipidica, che
possono reagire con DNA e RNA modificandoli(agenti genotossici di tipo mutageno).
Effetti citotossici dei radicali liberi
Interagendo con i tre bersagli prima descritti causano danni primari che danno luogo ad una serie di
effetti secondari con conseguenze
gravi per i mitocondri, per il
citoscheletro ecc, che possono esitare
in danni cellulari irreversibili.
13CAUSE FISICHE DI MALATTIA
Le patologie possono generare da trasferimento di energia sotto diverse forme(meccanica, elettrica,
termica, elettromagnetica o da variazione della pressione).
I danni dipendo dalla quantità di energia trasferita, dalla durata del trasferimento e dalla capacità del
tessuto di disperdere energia.
Patologie da trasferimento di energia elettromagnetica
La superficie terrestre, e su di essa Uomo e altre specie viventi, è continuamente esposta a vari tipi
di radiazioni che provengono da sorgenti naturali, alle quali si aggiungono quelle provenienti da
fonti artificiali.
In base ai loro effetti si distinguono due tipi di radiazioni:
ionizzanti, forme di radiazione che hanno energia maggiore di 10eV(energia necessaria per
allontanare un elettrone dall’orbitale più esterno della molecola e formare uno ione) e con
lunghezza d’onda minore di 100nm.
eccitanti, forme di radiazioni che hanno energia inferiore di 10eV; tra questi figurano anche i
raggi ultravioletti(100-400nm).
Le radiazioni ionizzanti sono ulteriormente in corpuscolate, in particolare elettroni, protoni,
neutroni, positroni, deutroni e particelle α, ed elettromagnetiche, che comprendono raggi γ, raggi x
medi-molli-duri, ultraviolette, luce visibile, infrarosse e herziane.
Nella collisione con la materia, le radiazioni cedono tutta o parte dell’energia alle molecole ed agli
atomi che la assorbono, con conseguenze che variano a seconda della quantità di energia spostata.
Infatti, quando una radiazione, intesa come quanto di energia, sia corpuscolata che di origine
elettromagnetica, colpisce i tessuti può interferire con due bersagli:
macromolecole della cellula o della matrice: in questo caso le strutture sono ionizzate, per la
maggior parte in forma
radicalica(stessi effetti
provocati dai radicali). Queste
interazioni sono dette dirette;
tuttavia, la probabilità che una
macromolecola venga colpite
dipende dalla sua dimensione,
quindi è molto bassa. Essendo
costituiti i tessuti per il 70% di
acqua è più probabile che
venga colpita una di queste
- + +
molecole. RH + hv e + RH R∙+ H
molecole di acqua: la ionizzazione da luogo a diverse reazioni chimiche, H 2O + radiazione
H2O++ e- oppure H2O + e- H2O- Gli ioni così generati possono essere scissi nei loro
componenti, con formazione di radicali. Per ogni 10 -5J di energia trasferiti all’acqua si
generano 2,6 e-, 2,6 OH∙, 0,4 H∙. Questo effetto è detto indiretto.
A livello cellulare, la quantità di radicali formati dipende dalla frequenza delle interazioni. La
capacità di trasferire energia è definita LET(Linear Energy Transfer) ed è direttamente
proporzionale alla carica ed alla massa della particella ed inversamente proporzionale alla sua
14energia. La dimensione delle particelle influenza infatti la probabilità che avvengano collisioni,
mentre l’energia è rilevante poiché le particelle con alta energia interagiscono meno con i
tessuti( questa peculiarità è molto sfruttata nei trattamenti contro i tumori).
LET, in particolare, corrisponde alla quantità di energia persa per unità di tragitto (KeV/μm); esiste
inoltre un fattore qualitativo Q che permette il confronto tra radiazioni a LET diverso.
Altri due indici molto importanti sono
dose assorbita, quantità di energia erogata per unità di massa di tessuto indipendentemente
dal tipo di radiazione, e si misura in Grey(J/Kg).
dose equivalente, prodotto della dose assorbita per il fattore Q, che esprime la capacità di
indurre un danno da parte di radiazioni con diverso LET: si misura in Sievert.
Ogni organismo è esposto a radiazioni(radioattività del terreno), fattore preso in considerazione da
EBR.
L’effetto a livello di acidi nucleici, proteine e lipidi è analogo a quello visto per i radicali.
Il tipo di morte cellulare può avere caratteristiche diverse che possono essere influenzate dalla dose
di radiazione; infatti, da 300 a 1000R la cellula muore per apoptosi, mentre con un valore maggiore
di 2000R la cellula muore per necrosi.
Anche la sensibilità dei tessuti alle radiazioni è diversa è ed influenzata da diversi fattori. Avremo
quindi tessuti radiosensibili, che presentano cellule con elevato turnover ed elevata frequenza di
mitosi(come comparti emopoietico, linfoide, germinale e le cellule tumorali) e tessuti
15radioresistenti, i quali cessano la loro attività replicativi subito dopo lo sviluppo fetale. La
differenza sostanziale è la presenza o meno di difese antiossidanti.
Patologie indotte da radiazioni ionizzanti
Gli effetti delle radiazioni ionizzanti a livello tissutale dipendono da dose assorbita e area
interessata e possono essere classificati in somatici, al loro volta suddivisibili in stocastici e non
stocastici, e in genetici, che possono essere solo stocastici.
Gli effetti stocastici compaiono con una relazione dose-effetto e aumentano la
probabilità che l’effetto si manifesti. Compaiono anche per basse dosi di
radiazione e hanno un lungo periodo di latenza(anni, decenni). Sono
manifestazioni irreversibili e possono essere causate anche da altri agenti
eziologici. Gli effetti più frequenti sono tumori solidi(linfomi) e leucemie.
Gli effetti non stocastici sono causati da esposizioni
ad alte dosi di radiazione e sono legati alla loro
azione citotossica. La curva che descrive l’incidenza dell’insorgenza
della patologia a seguito di esposizione a determinate dose è di tipo
sigmoide: è possibile osservare una dose soglia al di sotto della quale
non si evidenzia effetto, una dose lineare ed una dose di saturazione per
la quale, pur aumentando la dose, non aumenta l’incidenza. Gli effetti,
inoltre, variano molto a seconda del metodo di esposizione alle dose; se
un topo viene irradiato con una dose di 2 Gray in una sola
somministrazione, gli effetti sono più marcati rispetto al topo irradiato
con la stessa dose, ma in modo dilazionato nel tempo; in questo secondo
caso infatti, l’organismo riesce a rispondere alla radiazione riparando i
danni indotti dalla stessa. Con un’esposizione in brevi gradi quindi, gli
effetti insorgono precocemente e sono abbastanza prevedibili. Questo
meccanismo si trova alla base dei criteri di radioprotezione.
I diversi tessuti rispondono in modo variabile alle radiazioni: il sistema
nervoso centrale, ad esempio, viene colpito solo ad altissime dosi.
Patologie indotte da radiazioni ionizzanti, quindi eventuali complicazioni della radioterapia, sono:
radiodermite, caratterizzata dalla morte delle cellule epiteliali(le cellule basali dell’epitelio
sono radiosensibili),
cataratta,
atrofia ovarica o testicolare,
fibrosi polmonare e del miocardio
stenosi di esofago ed intestino tenue
aplasia midollare, ossia scomparsa delle cellule progenitrici, ridotta produzione di globuli
rossi, cellule leucocitarie e piastrine che determinano quindi leucopenie, piastrinopenie ecc.
Il quadro clinico più grave legato all’irradiazione è quello relativo alla SIA(Sindrome da
Irradiazione Acuta), dovuta a somministrazioni di dosi cospicue molto ravvicinate(es. esplosione di
ordigni nucleari e conseguente diffusione delle polveri nei centri abitati); la gradazione della
sintomatologia è legata alla quantità di radiazioni a cui si è esposti ed è inversamente proporzionale
al tempo impiegato per manifestazione acuta della malattia; infatti, mentre manifestazioni gravi
compaiono poco tempo dopo
l’esposizione, i sintomi più gravi si
evidenziano anche dopo diverse
settimane. Se la radiazione a cui
l’individuo è stato sottoposto è
inferiore e 2 Gray, la prognosi è del
100% di sopravvivenza ed in questo
16caso avremo una manifestazione della malattia detta subclinica, caratterizzata da nausea, vomito e
linfocitopenia; tra 2 e 6 Gray si determina manifestazione emopoietica che consiste in nausea,
vomito, petecchie ed emorragie, carenza importante di neutrofili e piastrine e linfocitopenia ed esita
in infezioni di vario tipo ed atrofia midollare che può necessitare di trapianto; tra i 6 e i 10 Gray si
evidenzia una manifestazione di tipo gastrointestinale caratterizzata da nausea, vomito, diarrea,
emorragie ed infezioni, carenza di piastrine e neutrofili e linfocitopenia, con prognosi di shock e
successiva morte in circa 10-14 giorni anche in caso di trattamento con terapia di sostegno; sopra i
10 Gray di ha coinvolgimento anche del sistema nervoso centrale, quindi manifestazione SNC, con
sonnolenza, convulsioni e coma in 15 minuti-3 ore che esita nella morte in poche ore.
Patologie indotte da radiazioni eccitanti
Le radiazioni eccitanti sono radiazioni elettromagnetiche nello spettro delle ultraviolette (UV), con
lunghezza d’onda λ compresa tra 100 e 400 nm, in grado di interagire direttamente con la materia
vivente, in quanto vengono assorbite da specifiche molecole inducendo il passaggio di un elettrone
ad un orbitale con energia superiore(stato eccitato) che aumenta notevolmente la reattività chimica.
Gli effetti biologici sull’uomo consistono prevalentemente in lesioni cutanee e dell’apparato visivo
data la scarsa penetranza nei tessuti, conseguenza di azioni dirette ed indirette. Non tutte le
molecole sono in grado di assorbire le radiazioni, e comunque presentano specificità per una data
lunghezza d’onda: gli amminoacidi, ad esempio, assorbono a 210-270 nm, quindi, onde presentanti
lunghezze maggiori o minori non hanno effetto. Si parla in questo caso di spettro di assorbimento.
Gli UV possono essere classificati in base alla lunghezza d’onda in:
UVc, con λ pari a 200-300 nm. Presentano alta energia e sono assorbite dagli acidi nucleici;
hanno quindi azione mutagena e possono arrivare fino al derma, ma vengono in realtà filtrate
dagli strati cheratinici, che fungono da protezione per gli strati sottostanti(da evidenziare
come la cheratina sia una proteina, e quindi
presenti spettro di assorbimento analogo a
quello degli amminoacidi). Buona parte degli
UVc vengono filtrati dallo strato S
dell’atmosfera e quindi arrivano sulla superfici
terrestre in scarsa quantità. Per questo motivo,
nonostante siano i più citotossici, il contributo
di questi raggi nella patologia umana è molto
scarso.
UVb, con λ pari a 300 nm. Hanno energia
minore degli UVc, sono meno filtrate dagli strati cheratinici e possono quindi raggiungere gli
strati basali dell’epitelio. A questa categoria si devono gran parte degli effetti mutageni degli
UV.
UVa, con λ pari a 300-400 nm. Sono caratterizzati da bassa energia, ma sono scarsamente
assorbiti da amminoacidi e acidi nucleici, anche se dal punto di vista teorico, potrebbero
penetrare in profondità.
Gli effetti delle radiazioni eccitanti si distinguono, come già detto, in diretti ed indiretti.
Gli effetti diretti sono esercitati su amminoacidi ed acidi nucleici, in grado di assorbire la
radiazione, e rendono la molecola capace di reazioni improprie. Le radiazioni UV possono rompere
i legami chimici tra le basi pirimidiniche(es. timina) favorendo la formazione di nuovi legami, che
uniscono tali basi in dimeri. Alla replicazione i dimeri pirimidinici si accoppieranno in maniera
errata, dando luogo, tramite le replicazioni successive, a mutazioni di transizione permanenti. I
danni genotossici possono essere compatibili con la sopravvivenza cellulare, e determinano
principalmente mutazioni a livello somatico. Le lesioni provocate dagli effetti diretti delle
radiazioni eccitanti riguardanti la cute sono simili a quelle provocate dal calore e comprendono
17eritema, edema, lesioni bollose e danni necrotizzanti; si parla in questo caso di dermatite attinica,
suddivisibile in tre diversi gradi di gravità:
I°grado= iperemia dermica
II°grado= aumento della permeabilità dei vasi che genera edema, con conseguente
scollamento degli strati cheratinizzati e formazione di flittemi(bolle)
III°grado= lesioni epidermiche gravi.
Le lesioni meno gravi possono esitare in ipercheratosi e iperpigmentazione. Lesioni a carico
dell’apparato visivo invece determinano, nei casi meno gravi congiuntivite attinica(infiammazione
della congiuntiva), o, nei casi più gravi, ulcerazioni della cornea, cataratta e danni degenerativi
alla cornea stessa. Esistono una serie di meccanismi che proteggono cute e apparato visivo dai
danni indotti dalle radiazioni eccitanti con effetto diretto; in particolare tale compito è svolto dalla
cheratina e dalla melanina, che assorbono le radiazione e ne limitano l’approfondamento. Inoltre, la
tioredoxina che utilizza come cofattore il glutatione, riduce i ponti disolfuro delle proteine,
fungendo da protezione per i danni ossidativi da UV. I filtri solari delle creme sfruttano proprio la
presenza di molecole capaci di assorbire la radiazione.
Gli effetti indiretti delle UV sono invece dovute ad interazione delle radiazioni con altre molecole
chimiche, in particolare con sostanze fotosensibilizzanti, che non sono in grado di assorbire
l’energia, ma la trasferiscono ad altre molecole. Si parla in particolare di reazioni fotodinamiche che
possono essere di due tipologie diverse:
Diversi composti chimici(origine esogena) provocano reazioni fotosensibili nell’uomo, tra i quali
antibiotici, sulfonamidi, contraccettivi orali, cosmetici… utilizzando entrambi i meccanismi e
determinando, nel primo caso trasferimento di energia ad amminoacidi ed acidi nucleici, e nel
secondo caso, coinvolgimento dell’ossigeno che assume configurazione di singoletto e che può
quindi, non avendo più limitazioni di spin, interagire con varie sostanze, tra cui lipidi colesterolo e
acidi nucleici, che amplificano i danni ossidativi esponendo i tessuti anche ai danni da Uv a, a cui
normalmente non sono suscettibili.
Le sostanze fotosensibilizzanti possono essere anche di origine endogena, quali le porfirine, che, se
accumulate per carenza di enzimi nella catena di sintesi dell’eme, determinano assorbimento a 400
nm circa, lunghezza d’onda dove normalmente non si ha interazione con le sostanze.
Le onde radio non sembrano avere invece effetti sull’insorgenza di patologie gravi, ma determinano
solo riscaldamento dei tessuti.
18RISPOSTA DELLE CELLULE AL DANNO
L’induzione di effetti genotossici causa
modificazioni nel genoma, quali sostituzioni,
inserzioni, delezioni, duplicazioni e inversioni,
quindi mutazioni puntiformi. La cellula risponde al
danno tramite diversi meccanismi deputati al
mantenimento dell’integrità del proprio materiale
genetico:
trasferimento alchilico: molti agenti
mutageni devono i loro effetti
all’alchilazione del DNA. La riparazione
avviene ad opera di O6-metilguanina aciltransferasi, enzima suicida che agisce trasferendo
un gruppo alchile del DNA ad un residuo cisteinico.
BER e NER: complessi multienzimatici che si basano sull’azione delle endonucleasi, ossia
tagliano il DNA nella zona del danno e poi lo riattaccano grazie ad una DNA polimerasi.
BER e NER intervengono in situazioni leggermente diverse.
MMR: funziona in tandem con BER e NER ed interviene nella riparazione degli errori di
appaiamento che causano distorsione dell’elica tridimensionale del DNA, deformazione
riconosciuta da MHS1 e MLH1. Anche questi richiedono poi l’intervento di DNA polimerasi
e ligasi.
ricombinazione omologa: complessi multi enzimatici che si legano al DNA riconoscendo le
rotture, tenendo i filamenti vicini e ricostruendo i legami intracatena. Questi sistemi si
attivano tramite segnali intercellulari che coinvolgono la chinasi ATM, la quale regola la
formazione di complessi sul DNA e induce segnali tramite P53 per bloccare la trascrizione.
Se il processo fallisce, i segnali possono interferire con la sopravvivenza cellulare stessa.
I difetti nell’attività di riparazione di questi enzimi possono dare luogo a diverse malattie genetiche:
sistema NER = Xeroderma Pigmentoso, causata dall’azione combinata di difetti genetici e
fattori esogeni per mancata eliminazione dei dimeri di timina formati dai raggi UV; è
caratterizzata da gravi aberrazioni cutanee(lesioni non cicatriziali anche per brevi esposizioni
alla luce), opacizzazioni della cornea, comparsa di tumori cutanei dovuta alle mutazioni.
sistema MMR = carcinoma ereditario del colon
ricombinazione omologa = carcinomi famigliari della mammella e dell’ovaio
sistema ATM = atassia teleangectasica
19Risposta funzionale allo stress ossidativo
La modificazione adattativa è mediata da NRF2, fattore di trascrizione localizzato nel citoplasma
legato tramite gruppi –SH alla proteina KEAP1, a sua volta
complessata con le strutture del citoscheletro. In caso di danni da
ROS, NRF2 si stacca da KEAP1 per modificazione del legame e
trasloca nel nucleo e, legandosi alle sequenze ARE, induce la
trascrizione di geni che codificano per proteine con azione
antiossidante. Animali knock-out per NRF2 presentano gravi
danni ossidativi.
Se le specie ossidanti colpiscono le proteine ne causano una
modificazione strutturale, che ha come prima conseguenza la
denaturazione proteica, con perdita della struttura terziaria e della
funzione e con tendenza alla formazione di aggregati. L’equilibrio
conformazionale nella
cellula, ossia il corretto foalding, è una situazione
abbastanza instabile, infatti il ripiegamento appropriato
è mantenuto solo nel caso in cui le condizioni di pH,
temperatura e concentrazione rimangano ottimali. Le
cellule presentano sistemi per la regolazione del
foalding proteico che coinvolgono le chaperonine, il cui
compito è appunto quello di permettere il corretto ripiegamento e di indurre il re-foalding in
proteine che siano state denaturate. Il protein misfoalding avviene in seguito ad aumento della
sintesi proteica, con relativo peggioramento dei controlli di qualità, oppure per fattori esogeni ed
endogeni(più rari), ed è molto grave per la cellula. Se le proteine alterate vengono immesse in
circolo possono andare incontro a processi di aggregazione e possono causare gravi malattie
degenerative; la risposta all’alterazione proteica è costituita da UPR(Unfolded Proteins Response),
che coinvolge diversi complessi funzionali. La catabolizzazione di queste proteine non
correttamente ripiegate prevede il loro legame con le ubiquitine, che permettono il blocco della
proteina stessa e il suo indirizzamento verso il riconoscimento da parte del proteasoma; questo
taglia la proteina in frammenti che vengono distrutti dalle peptidasi nel citosol. Oltre a questo tipo
di risposta esiste anche quella delle proteine da shock termico(il loro nome deriva dalla modalità
mediante la quale sono state scoperte, ossia scaldando le cellule fino a 50°C); prodotte in caso di
stress, la loro funzione è quella di partecipare a URP. Queste proteine sono distinte a seconda del
loro peso molecolare(100,90,70..) e la loro caratteristica comune è di essere altamente conservate
nella filogenesi, mantenimento fondamentale per la sopravvivenza della specie. Appartengono in
gran parte alla categoria delle foldrine e aumentano in quantità durante la risposta al danno cellulare
perché le HSP presenti stimolano la sintesi di HSP nuove, attraverso la liberazione di un fattore di
trascrizione, HSF1, che trimerizza e trasloca nel nucleo legandosi al DNA a livello di
HSE(sequenze responsive a shock) e bloccando tutti i processi di sintesi proteica.
HSP27: stabilizza i microfilamenti e mantiene l’”impalcatura” della cellula
HSP60: regola la degradazione proteica nei mitocondri
HSP70-HSP90: stessa funzione protettiva in nucleo, citosol e mitocondri
In generale, le HSP legano le proteine unfoalded cercando di ricombinarle tramite l’azione
combinata di HSP a basso ed alto peso molecolare(es. HSP100 presenta un foro al centro che
permette il passaggio nelle proteine, il loro disassemblamento e il corretto ripiegamento). Molto
importante è HSP32, anche detta emeossigenasi, che non è propriamente una foldrina, ma la sua
funzione è quella di partecipare alle difese antiossidanti, aumentando la risposta a particolare
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