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Metabolismo energetico e patologie neurodegenerative _ prima parte

September 30, 2012 at 23:27


In questo articolo si tratterà di alcuni interessanti legami intercorrenti tra fosforilazione ossidativa, glicolisi e reazioni metaboliche nella fisiopatologia delle malattie neurodegenerative.
 
Il tessuto nervoso, ed il neurone, che ne rappresenta l’unità anatomo-funzionale, si trovano all’apice della cito-evoluzione: il neurone rappresenta infatti uno degli elementi citologici maggiormente specializzati, al vertice del processo di differenziazione cellulare. Questo tipo di cellula è fondamentalmente deputata alla ricezione ed alla trasmissione di stimoli e di impulsi, sotto forma di potenziali d’azioni, i quali sono rapide e transitorie depolarizzazioni della membrana cellulare, che come è noto è polarizzata. Il sistema nervoso centrale, che nei mammiferi e nell’uomo raggiunge il massimo sviluppo funzionale, non è soltanto deputato alla ricezione ed alla trasmissione di impulsi, ma, evenienza ancor più straordinaria, alla propria elaborazione. A chiunque sarà capitato di toccare un rubinetto dell’acqua troppo caldo, o una pentola, ed ognuno di noi ha ricordo di come immediatamente abbiamo scostato la mano. Questa semplice risposta è autonoma, ovvero riflessa e non mediata da un atto della volontà: in questo caso uno stimolo termico di intensità lesiva viene recepito da terminazioni termocettive e trasformato in una serie di impulsi elettrici che viaggiano lungo le vie spino-talamiche e talamo-corticali. Immediatamente, senza nessuna riflessione o atto agente della volontà si mostra la più armonica delle risposte: togliamo la mano. Mentre il riflesso si manifesta a livello spino-mesencefalo-talamico, a livello degli emisferi si presenta la percezione cosciente dell’esperienza dolorosa e spiacevole, che non solo è compresa e codificata in senso negativo, ma soprattutto è registrata e memorizzata.
 
Nella seguente figura è riportata la classica rappresentazione di un neurone.
 
 
 
La tipica struttura di un neurone è composta da un corpo cellulare con numerosi mitocondri, da un abbondante reticolo endoplasmatico, da numerose cisterne del Golgi e nel complesso da un forte sviluppo dell’apparato secretorio. Dal corpo cellulare si dipartono prolungamenti che costituiscono i dendriti, ovvero la zona ricettiva degli impulsi, mentre all’altro polo del corpo cellulare origina l’assone, una lunga propagazione, la quale può essere mielinica o amielinica. Questa propagazione è la zona deputata alla trasmissione degli impulsi, sotto forma di correnti depolarizzanti. A propria volta l’estremità distale dell’assone forma contatti sinaptici con le cellule effettrici, cioè quelle cellule che recepiscono il messaggio. La sinapsi non è un punto di continuità bensì un punto di contiguità, ovvero non si presenta soluzione di continuità tra le due membrane dell’assone e della cellula effettrice: esiste uno spazio, detto vallo sinaptico, dove vengono liberate le sostanze chimiche che portano l’impulso alla cellula effettrice. Il numero di sinapsi ed il numero di dendriti di un neurone è soggetto ad ampie variazioni e le nostre esperienze vengono propriamente memorizzate e registrate, attraverso processi di plasticità sinaptica.

Riassumendo questo rapido cenno sulle fondamentali funzioni anatomo-fisiologiche del sistema nervoso centrale si può affermare che il sistema nervoso periferico riceve stimoli che sono trasmessi al sistema nervoso centrale: qui può mostrarsi un’attività autonoma (non volontaria) di ricezione, così come l’elaborazione di risposte in genere stereotipate (arco riflesso), e seguendo la scala evolutiva, dagli invertebrati (ciclostomi, celenterati) fino ai primi rettili ed ai mammiferi, raggiungendo l’uomo, si manifesta una centralizzazione delle strutture neuronali (cranializzazione) a fianco del primitivo sistema assile (midollo spinale) attraverso strutture via via più complesse  (mesencefalo, diencefalo, ecc.) fino alla corteccia cerebrale (neuroni associativi e di attività integrata). A questo livello si presentano le forme più complesse dell’attività psichica e del pensiero umano. In questo senso il neurofisiologo Sir Charles Scott Sherrington definiva il cervello come un “telaio incantato”.

Questa complessa struttura, che ha come funzione precipua la ricezione di stimoli e la loro elaborazione (confronto, integrazione spazio-temporale, risposta, registrazione mnemonica) richiede un requisito essenziale, base e fondamento biochimico della specializzazione funzionale: l’approvvigionamento di una notevole quantità di ATP, ovvero un altissimo tasso di fosforilazione ossidativa e conseguentemente un altissimo consumo di ossigeno. Come è ben noto, il cervello è estremamente sensibile al danno ipossico ed alla ipoglicemia, potendo metabolizzare prevalentemente glucosio.

Nelle patologie a carico del sistema nervoso centrale mostrano un ruolo essenziale i danni mediati dalle specie reattive dell’ossigeno (ROS).

Recentemente, è stato dimostrato mediante studi PET-spettroscopici che in pazienti affetti da morbo di Alzheimer (Alzheimer’s disease, AD), in molte zone neuronali, resistenti alla proteina β-amiloide (A-beta) ed esprimenti la stessa ad alto livello, si evidenzia un metabolismo nettamente di tipo glicolitico aerobio (effetto Warburg) (Vlassenko AG et al. 2010). L’AD è caratterizzato da un’intensa morte neuronale, specie delle vie colinergiche centrali. Questa morte neuronale, come è istologicamente noto, inizia con la deposizione di materiale fibrillare, la perdita di sinapsi e la secrezione extracellulare dell’A-beta, la quale comporta una forte attivazione della glia e di risposte infiammatorie. È interessante notare come nella popolazione neuronale di soggetti colpiti da AD una parte di cellule sopravvive e continua a secernere la A-beta, divendo resistente alla tossicità da essa indotta. L'analisi immunoistochimica del tessuto cerebrale di individui morti senza una storia di demenza ha rivelato che il 40% dei campioni sottoposti ad autopsia mostra un significativo accumulo della placca, senza manifestazione di sintomi clinici (Bouras C et al. 1994; Price JL & Morris JC, 1999). Altresì è stato evidenziato come le cellule che risultano resistenti all’AD ed alla tossicità indotta dalla A-beta risultano essere overesprimenti enzimi glicolitici ed enzimi antiossidanti, nonché appaiono presentare un metabolismo di tipo glicolitico aerobio. D’altro canto un metabolismo di questo tipo garantisce anche un minor stress ossidativo, laddove fosforilazione ossidativa comporta notevole produzione di radicali liberi.

Newington JT et al. 2011, in un elegante lavoro hanno recentemente approfondito i rapporti tra respirazione cellulare ed effetto Warburg nell’AD, studiando neuroni resistenti alla tossicità indotta da A-beta.



LDHA activity and lactate levels are elevated in Ab-resistant cells. A) LDHA activity was significantly greater in PC12 Ab resistantcells lines, R1 and R7, as compared to the parental line both in the absence and presence of Ab (*, P,0.01). As a control, PC12 parental cells exposedto 24 hr hypoxia (1%O2) also exhibited significantly greater LDHA activity when compared to untreated parental cells (*, P,0.01). B) LDHA activity was also significantly greater in B12 Ab resistant cells lines, R2 and R4, as compared to the parental line under the same conditions (* P,0.01). B12parental cells exposed to 24 hr hypoxia (1%O2) also exhibited greater LDHA activity when compared to untreated parental cells (*, P,0.01). (C)Extracellular lactate was significantly elevated in PC12 Ab-resistant lines, R1 and R7 and (D) B12 Ab resistant lines, R2 and R4, when compared to theirrespective parental cells cultured under similar conditions (*; P,0.01). Data represent the average 6 SD of three independent experiments.


Come si può notare dalla figura si evidenzia un aumento dell’attività dell’enzima lattato deidrogenasi (LDHA) in cellule A-beta resistenti (βAr), mantenute in coltura con una pO2 dell’1%. Nella sezione A sono mostrate cellule di midollare surrenale, mentre nella sezione B il medesimo dato è espresso su cellule di tumore neuronale indotto da nitrosuree, trasfettato con i geni (βAr). Nelle sezioni C e D si mostra una perfetta correlazione con i livelli di acido lattico secreti nello spazio extracellulare.

Sempre in questo lavoro di Newington JT et al. è stato evidenziato che le ROS in funzione dell’attività mitocondriale sono fortemente diminuite in cellule trasfettate con i fattori della resistenza alla A-beta.

 

Decreased mitochondrial reactive oxygen species in Ab resistant cells. A) PC12 Ab resistant lines R1 and R7 exhibited a significant reduction in mitochondrial reactive oxygen species (ROS) compared to the parental cell line under normal culture conditions (*, P,0.01). This decrease in ROS was maintained with 48 hr Ab (20 mM) exposure. Conversely, mitochondrial ROS significantly increased in the parental line whenexposed to Ab (**, P,0.05). B) The B12 resistant lines, R2 and R4 also exhibited decreased mitochondrial ROS when compared to parental cells under similar conditions (*, P,0.01). A similar increase in mitochondrial ROS in B12 parental cells was also observed following treatment with Ab for 48 hr (**, P,0.05). Cells were stained with MitoTracker Red (100 nM) and nuclei were stained with Hoescht (10 mg/ml) and visualized by fluorescencemicroscopy at 400X magnification and quantified with ImageJ software. Data represent the average 6 SD of three independent experiments.

Le cellule resistenti hanno mostrato una notevole diminuzione nella produzione di ROS mitocondriali, sia in cellule PC12 che B12, mentre l’esposizione alla A-beta, aumenta sì la produzione di ROS in tutte le cellule trattate, ma significativamente in misura minore nelle cellule resistenti alla A-beta.

Da questi dati e da altri non mostrati, Newington JT et al. hanno concluso che si esprime:

--- un aumento ed una stabilizzazione del fattore inducibile dall’ipossia HIF-1.

--- una diminuzione della fosforilazione ossidativa ed uno spostamento verso l’effetto Warburg.

--- un aumento delle sintesi di A-beta.

--- una diminuzione del processo apoptotico per quanto riguarda le cellule che secernono la stessa A-beta, in quanto la maggiore resistenza alle ROS e la stabilizzazione mitocondriale impediscono l’innesco del processo apoptotico.

Riassumendo, come mostrato nella seguente figura, la stabilizzazione del fattore inducibile dall'ipossia 1a (HIF1a), ed il successivo aumento dell'attività di HIF-1 in cellule resistenti all’A-beta stimola l'espressione del trasportatore del glucosio (Glut1), e di enzimi glicolitici, aumentando così la conversione del glucosio a piruvato.

 

Inoltre, HIF-1 promuove la riduzione del piruvato a lattato attraverso l’up-regulation dell’LDH. L’HIF-1 inibisce inoltre la produzione di acetil-coenzima A nei mitocondri, aumentando l’espressione della piruvato deidrogenasi chinasi 1, la quale fosforila ed inibisce la piruvato deidrogenasi, con la conseguente ridotta attività del ciclo degli acidi tricarbossilici, deprimendo così la fosforilazione ossidativa. La diminuzione dell'attività di trasporto degli elettroni riduce la generazione di ROS nei mitocondri e rende le cellule più resistenti all'apoptosi in presenza di A-beta.

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