Accumuli cellulari di lipidi e proteine

Patologia cellulare. Con questo video chiudiamo questa prima parte della serie di patologia. Continuiamo il discorso sugli accumuli cellulari parlando degli accumuli citoplasmatici. Si tratta di forme di accumulo legate principalmente a quattro cause: alterazioni del metabolismo di sostanze endogene, difetto di trasporto delle proteine, difetto enzimatico a carico degli enzimi che dovrebbero metabolizzare le sostanze, e accumulo di sostanze esogene. A seconda del tipo di biomolecola accumulata, avremo condizioni radicalmente diverse.

Cominciamo col parlare dell'accumulo dei lipidi, a partire dai trigliceridi degli acidi grassi. Questo tipo di accumulo si chiama steatosi. La steatosi può essere legata a diverse cause. La principale, senza dubbio, è l'inibizione della beta ossidazione. La beta ossidazione è quel tipo di reazione durante la quale i grassi vengono ossidati e vengono convertiti in acetil-CoA, un'enorme quantità di acetil-CoA che significa un'enorme quantità di ATP. Questa inibizione può essere legata a una carenza d'ossigeno, poiché si tratta di una reazione ossigeno-dipendente. La carenza di ossigeno può essere ipossia anossica, quando c'è una scarsa pressione di ossigeno a tal livello atmosferico; ipossia anemica, quando c'è una riduzione dell'emoglobina; ipossia tossica, quando ci sono molecole che interferiscono direttamente con la reazione di beta ossidazione. Un esempio è la tossina difterica, che riduce la quantità intracellulare di carnitina, che serve per spostare gli acidi grassi all'interno dei mitocondri, dove avviene appunto la beta ossidazione. Inoltre, la carenza dell'ossigeno molecolare può essere legata anche a una carenza di vitamine della catena respiratoria o a ostacoli a livello bronchiale che non consentono una sufficiente ossigenazione.

L'inibizione della beta ossidazione legata ai farmaci, invece, è dovuta al blocco, ancora una volta, della carnitina, il sistema che permette agli acidi grassi di raggiungere la sede della beta ossidazione. Questo fenomeno può essere un effetto collaterale di due farmaci di utilizzo abbastanza comune, come la zidovudina, che è un antivirale, e l'acido valproico, che è un antiepilettico.

Ma la steatosi può essere legata anche ad alterazioni nutrizionali. In corso di ipernutrizione, l'introito alimentare aumenta i grassi, porta all'accumulo. Ma lo stesso si osserva in corso di digiuno, perché anche se sembra un controsenso, in corso di digiuno aumentano i grassi in circolo, perché il tessuto adiposo periferico viene attivato e immobilizza grandi quantità di trigliceridi. Allo stesso modo, se il digiuno si prolunga e si ha una malnutrizione cronica di tipo calorico-proteica, come la sindrome di Kwashiorkor o Marasmo, si avrà steatosi per mancanza di lipoproteine. Normalmente, i lipidi per essere messi in circolo hanno bisogno di proteine che li guidino, le apoproteine, appunto. In corso di una iponutrizione cronica, il corpo non ha sufficienti materiali per produrre queste proteine, quindi i lipidi non possono muoversi e si accumulano nelle zone in cui normalmente tendono a essere più presenti.

Infine, la steatosi può essere causata da tossici che riducono la sintesi proteica, come le daunomicina o il tetracloruro di carbonio. Secondo la stessa via che abbiamo visto nell'iponutrizione cronica, le RNA polimerasi sono capaci di sequestrare l'ATP, bloccando quindi la sintesi proteica. La daunomicina, assieme alle tetracicline e all'alfa-amanitina, bloccano le RNA polimerasi, inibendo di fatto la sintesi proteica. Il tetracloruro di carbonio, come abbiamo visto nella lezione sul danno cellulare, può causare diversi tipi di danno, ma il principale è la perossidazione delle membrane del reticolo endoplasmatico, una delle sedi di accumulo preferenziali per i trigliceridi e gli acidi grassi.

È senza dubbio il fegato. Il fegato svolge un complesso metabolismo degli acidi grassi. Li cattura dal sangue, li riunisce all'alfa-glicerofosfato formando i trigliceridi. Tuttavia, può anche completarli con l'acetil-CoA e formare fosfolipidi o esteri del colesterolo. Parallelamente, può beta-ossidarli per produrre energia o, quando necessario, corpi chetonici. I trigliceridi, inoltre, possono essere poi fusi con apoproteine e messi in circolo come lipoproteine.

La steatosi epatica si presenta quindi come un accumulo di grassi che è visibile a occhio nudo. Il fegato è di dimensioni anche tre o quattro volte maggiori rispetto alla norma, è un aspetto giallastro determinato dal beta-carotene che tende ad accumularsi nei tessuti particolarmente lipofili. Microscopica mente, possiamo avere due forme di accumulo: la steatosi macrovescicolare, in cui all'interno delle cellule epatiche è presente un'unica grossa goccia lipidica che è legata all'accumulo di trigliceridi, e la steatosi microvescicolare, nella quale l'accumulo è frammentato ed è legato agli acidi grassi. Solitamente, questa forma è un accumulo diffuso in tutto il citoplasma e pertanto è più grave. Gli accumuli lipidici sono positivi al Sudan 4, ma sono PAS negativi.

Esistono diverse forme di steatosi epatica, anche se la più importante è di certo quella alcolica. La steatosi alcolica è legata al metabolismo dell'alcol etilico o etanolo. L'etanolo è consumato per fini alimentari e ricreativi in numerosissimi paesi. Il suo metabolismo è piuttosto complesso. Il fegato svolge un ruolo principale, poiché lo converte in acetaldeide. Questa conversione può avvenire nei perossisomi ad opera della catalasi o nel citosol ad opera dell'alcol deidrogenasi, enzima che deidrogena appunto l'alcol spostando un idrogeno su un NAD+ convertendolo in NADH. Questa reazione può avvenire anche nel reticolo endoplasmatico liscio ad opera del sistema di ossidazione microsomiale, sistema basato sul citocromo P450 che ossida l'etanolo grazie a un atomo di ferro. Questo sistema è inducibile, cioè l'efficacia del citocromo P450 può essere aumentata, e più il citocromo P450 deve fare questa reazione, più la sua potenza aumenta, poiché viene trascritta una maggior quantità di enzimi del citocromo P450 quando esso va in affanno. Tuttavia, il citocromo P450 non catabolizza solo l'etanolo, ma numerosissimi farmaci. Quindi, un soggetto alcolista cronico che avrà un citocromo P450 estremamente attivo, catabolizzerà rapidamente buona parte dei farmaci che assume, e questi avranno quindi un effetto minore.

L'acetaldeide, però, non può essere lasciata a se stessa, ma può andare incontro a più destini. Deve essere eliminata perché tende ad andare in forma radicalica. Una delle forme più semplici di metabolismo è quello della aldeide deidrogenasi, che la converte in acetato con produzione di NADH. Il motivo per cui si forma steatosi a causa dell'etanolo è proprio che il NADH prodotto in queste tappe viene utilizzato per la sintesi dei trigliceridi, quindi l'etanolo indirettamente aumenta la sintesi dei lipidi e porta alla steatosi. Va inoltre detto che l'acetaldeide può andare incontro a una catabolizzazione da parte della xantina ossidasi, che la converte in radicale carbonato, o se rimane in forma radicalica, può perossidare le membrane con particolare attenzione a quelle del reticolo endoplasmatico e dei mitocondri, portando a un blocco della sintesi proteica e della respirazione cellulare. Inoltre, può essere metabolizzata dal glutatione, andando però a ridurne la quantità attiva all'interno della cellula. E inoltre, può formare addotti con le proteine che stimolano una forma cronica di infiammazione che esita in fibrosi e quindi cirrosi.

La steatosi epatica, però, può essere anche non legata all'alcol. In tali casi, è legata alla sindrome dismetabolica attraverso vari meccanismi. In corso di insulino-resistenza, per esempio, si assiste a una deregolazione del normale metabolismo lipidico. Inoltre, in soggetti con sindrome dismetabolica, obesi, che fanno grande uso di grassi, non è infrequente che i sistemi di beta ossidazione siano saturi e quindi che i lipidi si accumulino senza bisogno di assumere alcol. Altra causa non alcolica di steatosi è rappresentata da alcuni farmaci, come l'amiodarone, i corticosteroidi, il tamoxifene, che interagiscono direttamente con il loro metabolismo. In ultimo, la gravidanza, riducendo la quantità di triacilglicerolo reduttasi, che è un enzima della cascata beta ossidativa, blocca il catabolismo dei grassi.

Un altro organo nel quale possono accumularsi lipidi è il cuore. Macroscopicamente, esso appare striato e per tale ragione viene chiamato cuore tigrato. Microscopica mente, invece, si potranno osservare gli accumuli lipidici tra le cellule muscolari. La causa sembra essere l'ipossia. In caso di ipossia moderata, l'aspetto tigrato sarà più evidente, mentre in caso di ipossia grave, il cuore sarà quasi del tutto giallo.

Un altro accumulo di lipidi completamente diverso nella sua forma è l'accumulo del colesterolo e dei suoi esteri. Una causa principale può essere quella genetica. Esiste una serie di patologie chiamata ipercolesterolemia familiare, che è dovuto ad alterazioni del metabolismo del recettore. Tale recettore normalmente pesca le LDL dal sangue mettendole nelle cellule epatiche. Soprattutto qualora questo recettore manchi, si osserveranno grandi quantità di colesterolo circolante. Altra forma genetica è la malattia di Niemann-Pick di tipo C, in cui è alterato il trasportatore NPC, che è un ATP-binding cassette, la cui funzione è quella di trasportare lipidi a livello intracellulare, fenomeno che quindi esita in un grosso accumulo a livello cellulare.

Molto più comuni, però, sono le cause acquisite di accumuli del colesterolo e di esteri del colesterolo. Il diabete mellito, per esempio, agisce bloccando la beta ossidazione. L'ipotiroidismo rallenta il metabolismo basale, quindi la beta ossidazione, favorendo l'accumulo dei lipidi. Le epatopatie bloccano l'escrezione biliare, che è uno dei modi più semplici per il corpo di liberarsi del colesterolo e dei suoi esteri. La sindrome nefrosica, attraverso la perdita urinaria di lipoproteine, condanna il colesterolo ad accumularsi nei tessuti senza poter essere spostato attraverso il sangue. E infine, l'uso dei corticosteroidi ha un effetto metabolico molto fastidioso, che è l'aumento degli acidi grassi liberi che vengono immessi in circolo e che si accumulano nei tessuti.

A livello morfologico, l'accumulo di colesterolo si può presentare in varie forme. La più temibile, senza dubbio, è l'aterosclerosi, fenomeno in cui le lipoproteine danneggiate vanno a inserirsi al di sotto dell'intima dei grossi vasi danneggiata da stress di taglio, e qui richiamano una forte infiammazione macrofagica. Vengono fagocitati, ma non vengono catabolizzati dai macrofagi, che quindi si ingolfano e rilasciano citochine che peggiorano l'infiammazione. Si formerà quindi una placca di materiale colesterolo, macrofagi morti e macrofagi attivi. Questa placca, rompendosi, porterà all'esposizione del core lipidico presente al suo interno e indurrà la coagulazione. Questo meccanismo è estremamente comune negli infarti. Una forma più tranquilla è rappresentata dagli xantomi, ossia masse voluminose di cellule schiumose che si accumulano a livello del sottocute, dei tendini. Normalmente, queste cellule schiumose sono macrofagi ingolfati. Infine, la colesterolo si è un accumulo di macrofagi schiumosi nella tonaca propria della colecisti.

Gli accumuli citoplasmatici, però, possono essere legati anche alle proteine. Tra le cause di accumuli proteici c'è l'eccessivo riassorbimento, fenomeno che si osserva se i glomeruli perdono la loro selettività. Per questo, il tubulo contorto prossimale è costretto ad aumentare la sua attività di riassorbimento e le sue cellule si troveranno a maneggiare enormi quantità di proteine, però è un processo reversibile. Dall'altra parte, c'è l'eccessiva produzione di proteine, come può essere un esempio nel caso delle immunoglobuline che vengono prodotte in quantità industriale dalle neoplasie del tessuto linfoide. Oppure, l'accumulo proteico può configurarsi come groviglio di proteine citoscheletriche, soprattutto nelle neurofibrille, che sembra essere alla base delle patologie neurodegenerative.

Infine, la causa, senza dubbio, più temibile è il mal ripiegamento proteico. Mal ripiegamento proteico che porta alla formazione di molecole non funzionali che si accumulano e occupano spazio ingolfando la cellula. La cellula presenta dei sistemi di refolding per ripiegare le proteine mal ripiegate. Questi sistemi di refolding sono principalmente di due tipi. Uno è rappresentato dalle chaperonine, molecole che a spese di energia sono capaci di foldare correttamente le proteine non ben ripiegate. Le chaperonine possono essere costitutive e sono presenti normalmente nel reticolo endoplasmatico. Le heat shock proteins, proteine che vengono prodotte in determinati casi in cui si suppone che ci sia un mal ripiegamento proteico. Durante la febbre, per esempio, la temperatura corporea sale, quindi vengono prodotte grandi quantità di heat shock proteins per ripiegare eventuali proteine che hanno perso la loro corretta forma.

Accanto al sistema delle chaperonine, c'è un sistema dell'ubiquitina-proteasoma. L'ubiquitina è una piccola molecola che viene legata alle proteine che devono essere distrutte. Questo legame è complesso e richiede dapprima un'attivazione attraverso un enzima chiamato E1, o attivatore dell'ubiquitina, che idrolizza ATP, si carica di un pirofosfato, dopodiché lo utilizza per legare l'ubiquitina e trasferirla sull'E2, insieme al trasportatore dell'ubiquitina, il cui ruolo è legare l'enzima E3, o ubiquitina ligasi, il quale a sua volta trasferisce l'ubiquitina dall'E2 al substrato. Qualunque substrato marcato con quattro ubiquitine viene riconosciuto come bersaglio dal proteasoma, un complesso enzimatico che distruggerà la molecola bersaglio. Questi due sistemi sono sufficienti per bloccare un eccesso di proteine mal ripiegate, tant'è che quando si verifica una condizione di questo tipo, si osserva la unfolded protein response, ossia un'attivazione di geni tale da indurre un'enorme produzione di heat shock proteins. Tuttavia, nel caso in cui questa risposta sia insufficiente, le proteine si accumulano nel reticolo endoplasmatico e quando questo meccanismo viene superato, la cellula non può più essere salvata, quindi va incontro ad apoptosi per via intrinseca, come abbiamo visto in precedenza.

Ora, un accumulo molto particolare che non è citoplasmatico ma extracellulare è quello delle amiloidi. L'amiloidosi è il deposito di amiloide a livello extracellulare. È una causa comune a tante malattie ed è legata sempre all'accumulo di questa proteina che non è chimicamente ben definita, ma un termine generico per indicare una proteina a foglietto beta che tende ad accumularsi a livello extracellulare. Una sua caratteristica fondamentale è la positività al rosso Congo e la birifrangenza alla luce polarizzata. L'amiloide, come abbiamo detto, è una proteina a foglietto beta antiparallelo, ma all'interno della massa ci si possono trovare anche proteoglicani, glicosaminoglicani e componente P amiloide sierica, proteina che vedremo in futuro. L'amiloide di solito è una proteina fisiologica che per qualche ragione tende ad accumularsi.

Esistono diverse forme di amiloidosi. La prima, forse più semplice, è l'amiloidosi AL, nella quale l'amiloide è la catena leggera delle immunoglobuline. Questo fenomeno si osserva soprattutto nel mieloma multiplo, patologia proliferativa delle plasmacellule, una forma tumorale nella quale le plasmacellule si espandono e cominciano a produrre quantità di immunoglobuline così grande da accumularsi ovunque nella cellula, perfino nel nucleo. Queste cellule solitamente producono immunoglobuline con alcuni difetti o talvolta producono addirittura solo catene leggere, configurando il quadro della proteina di Bence Jones.

Altra forma di amiloidosi è l'amiloidosi AA, fenomeno per la quale si accumula l'amiloide sierica, una lipoproteina sintetizzata dal fegato che funziona come proteina di fase acuta.

Caso a parte è l'amiloide beta, tipica della malattia di Alzheimer. Questa malattia è la causa più frequente di demenza nell'anziano, colpisce fino al 40% dei soggetti tra 85-89 anni. L'eziologia è legata al clivaggio che il precursore sierico dell'amiloide beta subisce a livello della membrana dei neuroni. Nel paziente sano, l'alfa secretasi e la gamma secretasi tagliano l'amiloide beta portando quindi a frammenti solubili. Nel soggetto con malattia di Alzheimer, o per ragioni genetiche o per ragioni acquisite, le secretasi non svolgono più la loro funzione corretta, quindi l'amiloide beta non viene tagliata e si accumula a livello istopatologico. Si osserva una vera e propria perdita di tessuto cerebrale con comparsa di placche senili fino alla completa distruzione del tessuto cerebrale.

L'amiloidosi ATTR è legata alla transtiretina, una proteina plasmatica che normalmente trasporta la tiroxina e il retinolo. Questa forma è detta anche amiloidosi sistemica senile ed è una forma familiare, nella quale l'accumulo avviene soprattutto a livello cardiaco.

L'amiloide beta-2 microglobulina è legata all'accumulo di beta-2 microglobulina, una parte della molecola di MHC di classe 1, che nelle vecchie macchine della dialisi non veniva filtrata e quindi rimaneva in circolo accumulandosi, diventando sempre di più nel tempo. Oggi l'emodialisi si è modernizzata e ha risolto anche questo problema attraverso filtri capaci di smaltire la beta-2 microglobulina.

In ultimo, esiste l'amiloide da prioni. I prioni sono patogeni estremamente strani, in quanto si tratta di proteine capaci di replicare se stesse inducendo al cambio conformazionale in proteine simili. L'accumulo di proteine prioniche è alla base del danno dell'encefalopatia spongiforme bovina o malattia della mucca pazza.

E con questo abbiamo concluso il ciclo della patologia cellulare. Nei prossimi video cominceremo un argomento completamente nuovo e parlerà dell'infiammazione, dalla sua attivazione alla sua risoluzione, in tutte le sue varie forme.