elettroni possono essere donati all’ossigeno per generare radicali O
2- e radicali OH.
Queste specie, anche se si generano in basse quantità (tra lo 0,1% ed il 4%), risultano essere distruttive per la cellula poiché fortemente reattive. Per prevenire i loro effetti dannosi, le cellule posseggono gli enzimi super ossido dismutasi (SOD) che convertono queste specie in H2O2, meno reattiva e pericolosa. L’H2O2, a questo punto, può essere
eliminata ossidandola in H2O attraverso la glutatione perossidasi, un altro enzima
importante nel processo di detossificazione della cellula. Nonostante la presenza di sistemi di controllo, queste reazioni risultano essere pericolose per la cellula poiché a seguito di una qualsiasi inefficienza dei sistemi su citati, si può generare un accumulo di ROS il quale può anche risultare fatale per la cellula (18).
4.3. L’apoptosi cellulare parte dal mitocondrio
Moltissime cellule riescono a decidere quando dover terminare la loro vita. Il processo che permette loro di compiere questo “suicidio programmato” viene denominato APOPTOSI. L’apoptosi, in generale, è un processo positivo in quanto sia per motivi di sviluppo che per motivi fisiologici alcune cellule devono morire periodicamente. Diviene ulteriormente utile quando avviene a seguito di sofferenza cellulare a causa di virus o danni cellulari irreparabili al DNA che potrebbero causare maggiori problemi rispetto a quelli che si avrebbero a seguito della morte della cellula stessa. Una delle cause scatenanti l’apoptosi, può essere ad esempio un accumulo di ROS nei mitocondri. Questi organelli hanno un ruolo chiave nell’intero processo. L’inizio del processo apoptotico parte dall’aumento della permeabilità della membrana mitocondriale esterna con apertura del complesso del poro di transizione della permeabilità (PTPC), una proteina formata da più subunità che permette la fuoriuscita del citocromo c nel citosol. In questo compartimento, il citocromo c si lega in rapporto di 7:7 alla cosiddetta proteina fattore-1 di attivazione della proteasi dell’apoptosi Apaf-1. La complessazione di questi enzimi porta alla formazione del cosiddetto apoptosoma il quale a sua volta attiva la caspasi-9. Quest’ultima è una proteina ad alta specificità che idrolizza i legami peptidici dal lato carbossilico dei residui di Asp (da qui il loro nome caspasi). Una volta attivata la caspasi-9, essa attiva un meccanismo a cascata che vede l’attivazione di tutte le caspasi cellulari con la definitiva digestione cellulare attraverso la proteolisi di tutte le proteine presenti nella cellula.
27
4.4. Acetilazione delle proteine cellulari
L’acetilazione delle proteine fa parte del grande gruppo delle modificazioni post traduzionali delle proteine. Questa modifica fu scoperta per la prima volta nel 1964 da Vincent Allfrey (19), quando emersero delle acetilazioni alle proteine istoniche, le quali regolavano l’espressione del DNA ad esse legato. Solo nel 1997 (19) si scoprirono molte proteine non istoniche che risultavano acetilate e questa scoperta aprì la strada a numerosi studi su questa specifica modificazione proteica.
L’acetilazione delle proteine prevede l’attacco per via covalente alla catena peptidica di un gruppo acetile. Esistono in natura due tipi differenti di acetilazione: l’acetilazione del gruppo N-terminale e, sicuramente più comune, l’acetilazione dei residui Lys. L’acetilazione dell’ε-ammino gruppo del residuo Lys, modifica la carica netta della proteina mascherando la carica positiva del residuo in questione. Questa modifica può generare un cambiamento della conformazione proteica che può tradursi, in via generale, nella diversa interazione col DNA, modifiche della trascrizione, localizzazione subcellulare della proteina, diversa solubilità ed attività enzimatica. L’acetilazione è inoltre un processo reversibile operato dagli enzimi N-acetil trasferasi (NAT) i quali trasferiscono reversibilmente un gruppo acetile sulle Lys a partire da Acetil-CoA. La reversibilità del processo fa sì che esso sia, in definitiva, un buon metodo per la cellula di controllare determinati pathways metabolici.
Da studi condotti (20) sull’intero proteoma cellulare, è stato evidenziato come, molte proteine soggette ad acetilazione reversibile, risultano essere presenti nel mitocondrio della cellula, facendo supporre che l’acetilazione sia una delle modifiche post- traduzionali di elezione per il fine controllo del metabolismo (Figura 14).
28
4.5. Le deacetilasi mitocondriali: proteina SIRT3
Lo stato dell’acetilazione delle proteine è controllato da una grande famiglia di enzimi deacetilasici NAD+ dipendenti: le sirtuine. Il primo enzima ad essere scoperto è stato SIR2 (silent information regulator 2), un enzima presente nelle cellule di lievito e responsabile del controllo di numerose vie metaboliche in questa cellula. L’uomo, rispetto al lievito, possiede sette tipi di sirtuine chiamate SIRT1-7. Questi sette sottotipi occupano differenti compartimenti subcellulari. Nel mitocondrio ritroviamo le sirtuine 3, 4 e 5. Tra queste tre, l’enzima con più importante attività deacetilasica è la SIRT3, mentre SIRT4 possiede una debole attività ADP-ribosiltrasferasica e SIRT5 ha più un’attività deacetilasica verso gli istoni rispetto alle altre proteine. L’indicazione che le sirtuine siano implicate nella regolazione del metabolismo, la ritroviamo oltre che nella loro presenza nel mitocondrio, anche nell’utilizzo come cofattore del NAD+. Infatti il
rapporto NADH/NAD+, indice dello stato metabolico della cellula, regola l’attività enzimatica di questi enzimi (21) (Figura 15).
4.6. Il progetto Mitochondrial Human Proteome Project initiative (mt-
HPP) ed il ruolo del mt-DNA nel diabete
Il genoma mitocondriale, costituito dall’intero DNA mitocondriale umano mt-DNA, può essere definito come il 25esimo cromosoma umano. La particolarità di questo
genoma è che esso non segue le classiche regole di trasmissione mendeliana da generazione in generazione. Il DNA mitocondriale, infatti, si trasmette attraverso la cellula uovo e quindi sempre dalla madre. Inizialmente il progetto Proteoma Umano, ha avuto come oggetto di studio esclusivamente le proteine espresse dalla decodifica del