Università degli Studi di Catania
Facoltà di Medicina e Chirurgia – A.A. 2013/2014 – Canale D –
Prof.ssa Cinzia Di Pietro
Giulia Sanfilippo
Andrea Rivela
CdLM in Medicina e Chirurgia – A.A. 2013/2014 – Canale D
Omeostasi
Insieme di processi volti a garantire il mantenimento dell’equilibrio
elettrolitico e biochimico delle cellule.
Per mantenere uno stato di omeostasi, l’organismo utilizza il principio
dell’equilibrio di massa: la costanza di una data sostanza è mantenuta se le
entrate sono uguali alle uscite dall’organismo. A questo scopo è necessario
garantire:
• osmosi •
• meccanismi di trasporto •
• metabolismo cellulare •
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Trasporto
Consiste nello scambio di molecole tra il citosol e il liquido extracellulare.
Meccanismi di trasporto:
• Trasporto passivo [ secondo gradiente ]:
- forze chimiche [ differenza di concentrazione ]
- forze elettriche [ differenza di potenziale elettrico ]
• Trasporto attivo [ contro gradiente ]:
- reazioni biochimiche
• Trasporto mediato da vescicole
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Tipi di trasporto
• Trasporto passivo:
- a) diffusione semplice [ flusso netto secondo gradiente di concentrazione
attraverso membrana cellulare o pori]
- b) diffusione regolata [ trasporto di soli ioni in risposta a interazioni del mezzo
elettrico, tramite canali ionici ]
- c) diffusione facilitata [ trasporto di molecole e ioni mediato da proteine di
membrane, carrier o permeasi]
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• Trasporto attivo:
- trasporto primario [ ATP-asi dipendente ad es. sodio/potassio. L’energia
derivata dall’idrolisi dell’ATP viene utilizzata per il trasporto dei soluti, es. H+ ]
- trasporto secondario [ l’energia è derivata da un gradiente elettrochimico
prodotto da un precedente trasporto attivo primario ]
simporto o cotrasporto
antiporto
Trasporto contro gradiente [ es.
saccarosio ] del substrato nella stessa
direzione dello ione [ es. H+ ] che si
muove contro gradiente.
Trasporto contro gradiente del
substrato in direzione opposta
rispetto allo ione che si muove
secondo gradiente elettrochimico.
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Esempi di simporto/cotrasporto & antiporto
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Trasporto mediato da vescicole
Trasporto tramite particolari strutture cellulari a forma di sacca, dette vescicole.
vescicole
Le vescicole sono fondamentali per il trasporto di molecole sia in
ambiente intracellulare che extracellulare e per la trasduzione del
segnale. I meccanismi tramite cui avviene il trasporto mediato da
vescicole sono:
• Endocitosi •
• Esocitosi •
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Endocitosi
Processo di trasporto di materiali solidi e liquidi all’interno di una cellula
mediante invaginazione e vescicolazione della membrana plasmatica.
- pinocitosi
- fagocitosi
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Esocitosi
Processo di trasporto di materiali solidi e liquidi all’esterno di una cellula
mediante fusione di una vescicola con la membrana cellulare plasmatica.
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Secrezione
Elaborazione e rilascio di sostanze chimiche sotto forma di prodotti detti secreti.
Esistono due tipologie:
- costitutiva [ i secreti sono prodotti e rilasciati all’esterno in modo costante e
automatico. Es: epatociti che sintetizzano fibrinogeno e albumina ]
- regolata [ i secreti sono prodotti e rilasciati in risposta a segnali. Es: vescicole
sinaptiche ]
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Secrezione
Ulteriori suddivisioni sono:
- autocrina [ la sostanza prodotta da una cellula va a modificare il
comportamento della cellula stessa ]
- paracrina [ la sostanza prodotta da una cellula va a modificare il
comportamento di cellule vicine. Es: fattori di rilascio del circuito ipotalamoipofisi ]
- endocrina [ la sostanza prodotta da una cellula agisce su cellule poste a
distanza. Es: gonadotropine, prodotte dall’ipofisi che agiscono sulle gonadi ]
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Organuli associati alle vescicole
Apparato del Golgi
Organulo cellulare formato da cisterne e sacchi membranosi appiattiti
che formano delle pile leggermente ricurve.
Il Golgi è situato in prossimità del nucleo cellulare,
a stretto contatto con il RE. Si distinguono due
regioni:
- cis Golgi network [CGN] che guarda verso il RE
- trans Golgi network [TGN] che guarda verso il
citoplasma
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All’interno del Golgi ci sono enzimi coinvolti nella maturazione delle molecole
che vi transitano [ es. enzimi ]. Tali enzimi sono collocati sequenzialmente nelle
cisterne con una direzione che va dal lato CIS al lato TRANS.
CGN
ENZIMI DI MATURAZIONE
[ reazioni di glicosilazione, solfatazione,
acetilazione di lipidi e proteine,
deamminazione, sintesi di polisaccaridi
come glucosamminoglicani ]
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TGN
• Modello delle cisterne stazionarie
Dalle estremità laterali delle cisterne gemmano delle vescicole «spola o navetta»
che trasportano le molecole modificate verso le cisterne successive dove si ha
nuovamente la fusione delle vecchie vescicole e la gemmazione di nuove.
• Modello di maturazione delle cisterne
Le cisterne sono delle strutture transitorie che si formano e vanno spostandosi
in avanti in direzione CIS-TRANS acquisendo nuovi enzimi.
PARTICOLARITA’
• Vescicole retrograde
Procedono in senso inverso, ovvero dal TGN al CGN. Le vescicole in cui è stato
evidenziato questo comportamento sono quelle che trasportano le proteine
specifiche del RE, le quali si dirigono verso il Golgi per subire modificazioni
post-traduzionali e tornare nel RE. La sequenza amminoacidica codificante per
il movimento retrogrado è KDEL [ Lys, Asp, Glu, Leu ].
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Formazione delle vescicole
Le principali proteine coinvolte nella formazione di vescicole sono:
- Clatrina [ dalla membrana plasmatica ]
- COP I [ dal Golgi ]
- COP II [ dal Reticolo Endoplasmatico ]
Esistono anche altre proteine coinvolte nella formazione di vescicole:
- Adattina
- Dinamina
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Clatrina
E’ una proteina costituita da tre catene pesanti e tre catene leggere, legate a
formare una struttura a tre braccia chiamata TRISKELION. La clatrina
polimerizza e genera strutture geometriche esagonali. E’ la proteina di
rivestimento delle vescicole destinate all’endocitosi e di trasporto di vescicole dal
lato trans dell’apparato del Golgi agli endosomi.
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Adattina & Dinamina
- Adattina: proteina di membrana capace di selezionare le molecole cargo da
includere nella vescicola.
- Dinamina: proteina che induce il distacco della vescicola appena formata. Essa
agisce avvolgendosi ad anello intorno al collo della vescicola e rendendo
instabile il doppio strato fosfolipidico.
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Riconoscimento dell’organulo bersaglio
Il riconoscimento dell’organulo bersaglio avviene grazie a due classi di proteine di
membrana che svolgono la funzione di recettore:
• Proteine SNARE •
• Rab GTP-asi •
Le vescicole riconoscono queste proteine e fondono le loro membrane con quelle
dell’organulo bersaglio, riversando le molecole trasportate nel lume del
compartimento di destinazione.
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Proteine SNARE
Sono una classe di proteine fibrose ancorate alla membrana. Inoltre possiamo
individuare due sottoclassi:
- v-SNARE [ presenti sulle membrane delle vescicole ]
- t-SNARE [ presenti sulle membrane degli organuli bersaglio ]
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Le due proteine complementari, si
riconoscono vicendevolmente e si
legano tra loro facendo interagire le
due porzioni ad α-elica, in modo da
formare una struttura superavvolta.
Altre proteine intervengono per
consentire il corretto avvicinamento
delle due membrane:
• SNAP •
• NSF •
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Rab GTP-asi
Favoriscono il trasferimento delle vescicole lungo
i microtubuli in direzione del compartimento di
destinazione e il riconoscimento reciproco delle
v-SNARE e t-SNARE. Possono essere:
- Inattive [ legate al GDP nel citosol ]
- Attive [ legate al GTP nelle membrane ]
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Dalle idrolasi acide ai lisosomi
1° STEP:
Il precursore dell’idrolasi lisosomiale sintetizzato nel RE passa al Golgi.
2° STEP:
Gli enzimi dell’apparato del Golgi riconoscono la sequenza proteica di
indirizzamento presente nell’idrolasi.
3° STEP:
Glicosilazione della idrolasi con mannosio 6-fosfato [ mannosio fosforilato in
posizione 6 ]
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4° STEP:
Riconoscimento e attacco del mannosio 6fosfato da parte di un recettore specifico
presente nella membrana del Golgi.
5° STEP:
Intervento delle adattina, clatrina e successiva
gemmazione della vescicola.
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Trasporto del colesterolo
1° STEP:
Il colesterolo è trasportato nel sangue sotto forma di LDL [low density
lipoprotein].
2° STEP:
Una volta arrivata presso la membrana cellulare le LDL vengono riconosciute da
recettori specifici di membrana, collegate sul versante citosolico a molecole di
clatrina.
3° STEP:
Si forma una fossetta rivestita sino all’endocitosi.
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4°
STEP:
La vescicola formatasi all’interno
della cellula perde il rivestimento
di clatrina ed entra a far parte del
sistema di endosomi precoci ad
ambiente acido.
5° STEP:
LDL e recettore si dissociano; il
recettore viene riportato presso la
membrana mentre le LDL sono
degradate in colesterolo.
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Ipercolesterolemia Familiare (FH)
E’ una grave patologia ereditaria in cui la quantità di colesterolo nel sangue può
essere aumentata notevolmente:
- forma eterozigote [ Frequenza elevata: 1/500 ]
- forma omozigote [ Frequenza bassa: 1/1.000.000, ma particolarmente grave ]
Valori molto alti [ 650-1000 mg/dL ]
Porta alla formazione di placche all’interno
dei vasi e gravi problemi cardiocircolatori
anche in età precoce.
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LDL-R
Il gene del recettore per LDL è localizzato sul braccio corto del cromosoma 19 [ 18
esoni e 17 introni ].
Il prodotto genico maturo è una glicoproteina
transmembrana di 839 aminoacidi.
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Esoni codificanti
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SRE & SREBPs
Oltre alla sequenza codificante per la proteina, il gene include anche
elementi che regolano la trascrizione. Questa regione contiene:
- 3 repeats [ SRE ]
- TATA BOX
Repeats 1 e 3 responsabili della trascrizione del gene.
Repeats 2 responsabile della regolazione genica tramite il legame con le proteine SREBPs.
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Funzionamento delle SREBPs
Steroli presenti
SREBP ancorati al RE
Steroli assenti
Modificazione da parte del
Golgi e trasporto al nucleo
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Mutazioni e difetti del gene
Un difetto o una mutazione del gene LDLR, che impedisce il legame con la lipoproteina
LDL o con Apo B-100 e Apo E, determina la patologia. I difetti possono essere:
puntiformi [ mutazioni missenso e non senso ]
delezioni o inserzioni
grossolane { riarrangiamenti che comportano la perdita o la duplicazione di intere
sezioni del gene. Tali duplicazioni derivano da sequenze ripetute ALU [ SINE, sequenze
intersperse ], presenti negli introni, nelle regioni 3’ UTR dei geni e nelle regioni
intergeniche del genoma }
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Classi e fenotipi difettivi
Esistono 5 classi diverse di fenotipi difettivi, secondo la fase del meccanismo di
funzionamento del recettore LDLR che viene compromessa:
-
classe 1
classe 2
classe 3
classe 4
classe 5
allele nullo
trasporto difettivo
legame difettivo
internalizzazione difettiva
riciclo difettivo
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Classi e fenotipi difettivi
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Polimorfismi del gene
Sono riportati in letteratura numerosi polimorfismi del gene dovuti a
cambiamenti di una singola base (SNP, Single Nucleotide Polymorphism), sia in
sezioni codificanti, sia in sezioni non codificanti del gene, che non manifestano
effetti clinicamente rilevanti sulla funzionalità del recettore.
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Come diagnosticare l’FH?
La diagnosi non è affatto semplice, e non trovare una mutazione nell’individuo
non significa che non ne sia affetto. Tuttavia, conoscere le mutazioni in famiglia e
le abitudini del paziente permette di evitare possibili confusioni. Data la difficoltà
di un’individuazione certa, molti esperti hanno formulato i propri criteri
diagnostici:
- Criterio 1: US MedPed Program
- Criterio 2: Simon Broome Register Group
- Criterio 3: Dutch Lipid Clinic Network
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US MedPed Program
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Simon Broome Register Group
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Dutch Lipid Clinic Network
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La diagnosi è considerata “definita” quando:
si superano i limiti di colesterolo totale [ CT ] e colesterolo LDL e in concomitanza
si osserva la presenza di xantomi tendinei.
La diagnosi è considerata “probabile” quando:
si superano i limiti di CT e LDL, ma si ha anche una storia familiare di infarti
prematuri del miocardio o di alterazioni patologiche della colesterolemia.
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Come curare l’FH?
Esistono due tipi di terapia che è possibile applicare:
• dietetica
Consente raramente di raggiungere l’obiettivo terapeutico [ negli adulti ], mentre nei
bambini è indispensabile per prevenire complicanze future. E’ indispensabile
un’alimentazione sana, evitando:
- sale
- condimenti elaborati
- cibi elaborati
E’ preferibile consumare:
- olio extravergine di oliva
- cottura a vapore
- cottura al forno
- cottura in umido
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• farmacologica
Consigliata ad adulti e bambini di età superiore agli 8-10 anni, dopo opportuna
dieta alimentare, che presentino tali valori:
- LDL > 160 mg/dl
- LDL > 130 mg/dl in aggiunta a fattori quali diabete, ipertensione, obesità
severa, inattività fisica ecc ecc
I farmaci utilizzati sono:
- statine in monoterapia [ farmaci che inibiscono la sintesi di colesterolo endogeno ]
- statine associate a ezetimibe [ farmaco inibitore dell’assorbimento di colesterolo,
senza intaccare quello di trigliceridi e vitamine liposolubili ]
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Bibliografia
1.
2.
3.
4.
Testo: Biologia e Genetica [ II edizione ] a cura di Giacomo De Leo, Silvia
Fasano, Enrico Ginelli
Sito Web: www.nature.com
Istituto Superiore di Sanità Ipercolesterolemia familiare e difetti del gene del
recettore delle lipoproteine a bassa densità: mutazioni italiane e loro analisi
a cura di Alfredo Cantafora, Francesca Prestinaci e Ida Blotta Dipartimento
di Ematologia, Oncologia e Medicina Molecolare
Wikipedia
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