A Salvatore Passarella Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico Complementi e integrazioni Copyright © MMXIV ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it [email protected] via Raffaele Garofalo, /A–B Roma () ---- I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore. I edizione: maggio A mia moglie Ersilia Indice Prefazione Capitolo I Preambolo .. Riflessioni di una studentessa, – .. Il mitocondrio, – .. I mitocondriologi in Italia, – .. Scopo del libro, . Capitolo II Come studiare il “traffico” di metaboliti attraverso la membrana mitocondriale .. Tecniche spettroscopiche, – ... Swelling, – ... Cambiamento dello stato di ossido-riduzione (stato redox) di cofattori mitocondriali, – ... Sistemi di rivelazione per metaboliti effluiti dai mitocondri, – .. Tecniche Isotopiche, – .. Purificazione di proteine di trasporto e ricostruzione dei processi di trasporto, – .. Espressione delle proteine carrier nei batteri, – .. Il paradigma del trasporto, . Capitolo III Il traffico mitocondriale di ATP ecc. .. Trasporto mitocondriale e produzione di ATP mediante fosforilazione ossidativa, – ... Fosfato inorganico, – ... ADP e ATP, – ... ATP-Mg/Pi, – .. Il caso creatina/PCr, . Capitolo IV Trasporto mitocondriale e metabolismo glicidico .. Gli shuttle (sistemi navetta) mitocondriali, – ... Shuttle Malato/Ossalacetato in sistemi vegetali, . 7 8 Indice Capitolo V Trasporto mitocondriale e metabolismo lipidico .. Il citrato, – .. Il caso del fosfoenolpiruvato (PEP), – .. Il citrato nella patologia tumorale, . Capitolo VI La questione lattato .. Storia dell’L-lattato, – .. L-lattato deidrogenasi in mitocondri vegetali, – .. Revisione della gluconeogenesi da L-lattato, – .. Nuovo enzima mitocondriale: la L-lattato ossidasi, – .. Un nuovo metabolita per i mitocondri: il D-lattato, – .. L- e D-lattato in mitocondri di cellule tumorali, – .. Quanti carrier partecipano alla gluconeogenesi!, . Capitolo VII Trasporto mitocondriale e metabolismo azotato .. Fumarato. Un po’ di storia, – .. Trasporto mitocondriale e ureagenesi, – .. Un altro carrier per il fumarato: antiporter fumarato/aspartato, – .. La fumarasi, – .. Prolina, – .. Glutammina, . Letture di riferimento Appendice 9 PREFAZIONE Questo libro intitolato “Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico: complementi e integrazioni” deve la sua genesi a una semplice considerazione: se e come ci sia traffico dei metaboliti (ricordarsi: parola sdrucciola) attraverso la membrana mitocondriale interna è argomento trascurato in tutti i testi di biochimica (compresi quelli editi nel 2013). Inoltre quel poco che è riportato ha carattere “archeologico”, essendo riferito ai primi studi di quasi cinquanta anni fa. Inoltre alcuni argomenti non sono per nulla trattati. È da considerare che gli studenti più attenti, studiando il metabolismo energetico, si saranno trovati o si troveranno a formulare interrogativi sul destino di alcuni metaboliti, senza trovare nei testi le risposte che si sarebbero date abbastanza facilmente, anche se talvolta in modo non esauriente, se fosse stata considerata la letteratura recente. Anche in questo, come in “Elementi di Enzimologia Guida allo Studio” edizione Aracne, del quale questo libro è ideale continuazione, non mi asterrò dal “guidare” il lettore, spesso stimolando spirito critico, certe volte polemico, nei riguardi di asserzioni che, accettate dai più in conformità a un malinteso “ipse dixit”, mortificano l’intelligenza e la logica elementare. L’unico comandamento cui deve sottostare lo scienziato (e perché no lo studente che potrebbe diventare scienziato) è la ricerca della verità, anche se non assoluta ma relativa al sistema in studio e alle condizioni sperimentali e teoriche in cui lo studio si conduce. Non ci sia mai tolleranza per il pressappochismo o per la semplificazione che manchi di logica razionalità. Il tema è complesso e complessa è la sua trattazione: il libro è diviso in due parti; nella prima sarà trattato il trasporto mitocondriale con brevi cenni sulle strategie sperimentali e su metodi da usare nel suo studio; nella seconda il tema si allargherà al metabolismo cellulare e sarà messo in evidenza il ruolo dei mitocondri nel catabolismo e nell’anabolismo con enfasi sul traffico mitocondriale necessario perché questi abbiano luogo. In qualche caso la trattazione sarà puntuale e approfondita per aiutare lo studente a vedere quello che tutti vedono (i risultati di un esperimento) e a pensare quello che nessuno pensa, cioè a fare “la scoperta” come dichiarato nell’aforisma di Albert Szent-Györgyi von Nagyrapolt. Lo scoprire consiste nel vedere ciò che tutti hanno visto e nel pensare ciò che nessuno ha pensato. Si è cercato di scrivere in prevalenza in italiano, rifuggendo da neologismi o da costruzioni di origine anglosassoni che mortificano i dizionari e che, anche se apparentemente di facile comprensione, complicano la vita agli studenti; tuttavia alcune parti sono rimaste nella lingua originale in inglese, lingua che tutti gli studenti, cittadini di Europa dovrebbero conoscere. Nel libro sono elencate letture di riferimento utili per chi voglia approfondire le proprie conoscenze; ovviamente si potrebbe ricorrere alla letteratura disponibile, consultando PubMed, Google Scholar ecc. In merito è riportato qualche esempio. Un affettuoso ringraziamento va a Angelo Carosini, e Alessandra Pigliacelli, (studenti di Medicina e Chirurgia) dell’Università del Molise che hanno letto una bozza del libro, dandomi utili suggerimenti per eliminare qualche difficoltà di troppo. Angelo e Alessandra, insieme 9 10 10 Prefazione a Alessia Pia Saracino (studentessa di Scienze e Tecnologie Alimentari) e a Nicola Pilla (futuro medico) mi hanno aiutato nella rifinitura del testo e nella preparazione delle figure. Campobasso 28 aprile 2014 Salvatore Passarella 11 PREAMBOLO Riflessioni di una studentessa Ho voluto che questo libro iniziasse con due lettere che Arianna, una studentessa del corso di Scienze e Tecnologie Alimentari dell’Università del Molise, ha inviato al suo professore in risposta a sollecitazioni esercitate durante le lezioni di Biochimica. Chi scrive è del parere che è opportuno che nelle lezioni ci sia spazio per digressioni che, oltre a consentire un riposo della mente nell’esposizione monotematica, stimolino la crescita intellettuale degli studenti e del docente. Una prima lettera fu la risposta alla domanda antica e moderna rivolta a studenti dall’aspetto stanco e un po’ rassegnato… ma tu che vivi a fare? Non riporto questa lettera; ne seguirono altre due spontanee: Siamo lupi solitari, il nostro egoismo ci porta a mettere sopra ogni cosa noi stessi, i nostri interessi, il nostro benessere, non c'è posto per gli altri, soffocanti vittime del nostro ego. L'egoismo nasce con l'uomo, forse proprio come un carattere innato, come parte del nostro istinto di sopravvivenza, l'istinto del più forte. Vediamo nel successo altrui la nostra disgrazia, godiamo a un fallimento. Siamo felici se un compagno si trova in difficoltà, ci sentiamo superiori, immuni, lo abbandoniamo nei suoi problemi, nel suo caos. Aiutiamo solo se riusciamo a ricavarne qualcosa, di rado per sentirci meglio con la nostra coscienza. Degli altri ci interessa il parere, l'opinione che hanno di noi, ci interessa essere invidiati. Ad alimentare questa fiamma c'è rivalità, competizione, il nostro obiettivo è essere superiori, migliori, non porgiamo la mano per aiutare, per raggiungere insieme l'obiettivo, camminando verso la meta, migliorando insieme, mano nella mano. Campobasso 6/11/2013 Sono una di quelle donne che preferisce scrivere non parlare, le parole volano via al vento, si parla impulsivamente senza meditare abbastanza, senza aver il tempo di rispondere, se non troppo impulsivamente. Nella scrittura c'è invece la possibilità di riflettere ore e ore, anche per scegliere un singolo vocabolo, leggendo e rileggendo per curare ogni dettaglio, correggere ogni imperfezione e aggiungere ogni particolare. Sono una di quelle donne che odia la politica, che nata da sani principi è divenuta strumento di corruzione, fosse per me, abolirei la classe dirigente, ma non si può vivere nell'anarchia, non tutti sono abbastanza civili da farcela; fare la rivoluzione non è facile non si risolve tutto con una manifestazione. Sono una di quelle che ama la libertà, amo sentirmi ribelle, amo l'azzardo, il rischio, esco anche con il temporale, non amo fare l'angelo del focolare. Sono una di quelle donne che non crede nel destino ma nel futuro. Sono una di quelle donne che è stata ferita dall'amore e dall'amicizia, ma continua masochisticamente a caderci e ricaderci, assuefatta a essi. Sono una di quelle donne che dice di non credere in un Dio e nelle religioni, avendo sempre preferito la scienza, ma nei momenti di difficoltà spera sempre in un aiuto dal cielo, in un miracolo, sono una che quando vede una stella cadente esprime un desiderio sperando nella magia e nella buona sorte. Sono una di quelle che odia il calcio, non per lo sport in sé e per sé, e non tanto per i super stipendi della serie A, ma per la competizione che da sana quale dovrebbe essere, in alcuni casi diviene tossica sfociando in insulti, discriminazioni, violenza, competitività come se non ce ne fosse già abbastanza. 11 12 12 Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico Sono una di quelle donne che se non ti cerca non è perché si è dimenticata di te, ma vuole farsi cercare. Sono una donna che viene da una generazione schiava della tecnologia, se non hai uno smartphone non sei nessuno! Una generazione che ti giudica dal tuo aspetto e non per le tue idee, una generazione vittima dei social network, un mondo in preda all’innovazione da una parte e un altro mondo in preda alla fame, dove per sopravvivere non hai bisogno di uno smartphone ma un pezzo di pane. Sono una di quelle donne che ha i denti ingialliti dal fumo perché fuma da tempo, sapendo del male che le fa. Sono una donna che piange fino a esaurire tutte le lacrime, a volte piange senza saperne la ragione, a volte senza. Sono una che fa parte di una generazione che passa il weekend tra l'ebbrezza, una generazione dove discoteca non significa buona musica ma sballo, “drinks and drugs”. Sono una di quelle che ama girovagare e se avesse coraggio, si lascerebbe tutto alle spalle, stanca della solita gente, dei soliti luoghi. Sono una che non vorrebbe mai permettere a nessuno e nessuna situazione di farle abbassare lo sguardo e piegare le spalle. Campobasso 7/11/2013 Quale la ratio della presenza di queste lettere in un testo di questo tipo? Dare argomento di riflessione a coloro che, prima di essere studenti interessati al traffico mitocondriale, sono gli uomini e le donne che costituiranno la classe dirigente del paese! Riprendiamo, con qualche variazione sul tema, il capitolo del libro edito da Aracne Editrice “Elementi di enzimologia: guida allo studio” intitolato “Catalisi del trasporto mitocondriale”. Il mitocondrio Sebbene i mitocondri nelle diverse cellule differiscano in struttura e funzione, presentano alcune caratteristiche comuni: sono 'spazi chiusi' nella cellula in cui è svolta la maggior parte del metabolismo energetico. I mitocondri hanno una membrana esterna (MOM: Mitochondrial Outer Membrane) liscia e piuttosto elastica, che contiene i canali anionici voltaggio-dipendenti (VDAC) (anche noti come porine mitocondriali). La MOM era considerata (e lo è ancora in molti testi) non soggetta a regolazione, liberamente permeabile ai substrati di peso molecolare inferiore a 10 KDa, cosicché si sono ritenute e ancora si ritengono uguali le concentrazioni dei soluti di basso peso molecolare nello spazio intermembrane e nel citosol: è stato dimostrato che in vitro non è così. Infatti, nello spazio intermembrane si può stabilire una concentrazione di substrato diversa (più alta) di quella della fase extramitocondriale assimilabile al citosol; di questo argomento sarà trattato in seguito nell’Appendice 1. La membrana mitocondriale interna (MIM: Mitochondrial Inner Membrane) presenta diverse pieghe verso l'interno o invaginazioni, denominate creste, utili per aumentare la superficie della membrana e rendere così più ricco possibile il corredo enzimatico della stessa. Le creste variano sia nel numero sia nella struttura secondo il tipo di cellula. MIM costituisce una barriera di permeabilità per quasi tutti i composti, tranne che “si diceva e si dice ancora” per ossigeno, anidride carbonica e ammoniaca; ma è stato recentemente scoperto che i mitocondri contengono canali per il trasporto di acqua, denominati acquaporine e che l’acquaporina è in grado di trasportare ammonica (vedi Appendice). I. Preambolo 13 13 Lo spazio intermembrane (IMS, Intermembrane Mitochondrial Space) è compreso tra le due membrane e, “sorprendentemente” come in precedenza sottolineato, contiene, o almeno può contenere soluti in concentrazione diversa da quella citosolica. La parte interna del mitocondrio è la matrice. Questa struttura simile a gel contiene circa il 50% delle proteine mitocondriali, molte delle quali sono organizzate in una struttura reticolare collegata alla superficie interna della membrana mitocondriale interna. Oltre che essere la centrale energetica della cellula, i mitocondri hanno un ruolo cruciale in vari processi, l’apoptosi (morte cellulare programmata), e sono gli organuli cellulari sensibili alle radiazioni luminose, pertanto coinvolti, direttamente o attraverso molecole che contengono, nella fototerapia. Da qualche tempo il modo di intendere il trasporto mitocondriale è cambiato: ormai, sta raggiungendo un consenso sempre crescente il concetto che i trasportatori che mediano l'afflusso/efflusso di substrati e gli enzimi che li metabolizzano siano soggetti a una sorta di microcompartimentazione che sembra favorire l’avvenire delle reazioni in cui trasportatori ed enzimi sono coinvolti. È interessante notare, per esempio, che l’esochinasi e la glicerochinasi interagiscono con le porine della superficie esterna della MOM, in modo tale da avere accesso preferenziale all'ATP generato nei mitocondri; inoltre il legame dell’esochinasi con i mitocondri è stato considerato la base per il metabolismo energetico nella proliferazione cellulare. Peraltro il poro di transizione mitocondriale, che ha un’importante funzione in fenomeni tipo necrosi o apoptosi, si forma in seguito all’aggregazione di proteine mitocondriali, quali chinasi, carrier degli adeninnucleotidi ecc. Negli ultimi dieci anni è stato introdotto il concetto di dinamica mitocondriale. I mitocondri continuamente si fondono e si dividono e sono trasportati a specifici siti nella cellula. La fase iniziale di un processo di fissione di un mitocondrio è mostrata nella Fig.1. A dare origine a questa struttura è stata la radiazione del laser a elio neon, la luce rossa degli indicatori luminosi usati nei meeting. Fig. 1 Fissione dei mitocondri indotta dalla luce di un laser a Elio-Neon. Alla domanda: <<Nel terzo millennio si sa tutto dei mitocondri?>> La risposta è no! Solo pochi anni fa è stato definito un elenco di proteine enzimatiche mitocondriali consultabile al sito MitoCarta ([http://www.broadinstitute.org/pubs/Mit oCarta/index.html]) “MitoCarta is an inventory of 1098 mouse genes encoding proteins with strong support of mitochondrial localization”. In molti casi l’evidenza dell’esistenza di nuovi enzimi mitocondriali basata su metodologie della biochimica ha preceduto le profezie derivanti dall’analisi bioinformatica. È da prevedere che la MitoCarta si arricchirà di altre voci dato che la scoperta di enzimi mitocondriali continua. 14 14 Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico I mitocondriologi in Italia Qualcuno potrebbe porsi la domanda: <<Esiste e se esiste qual è il contributo della ricerca italiana alla biochimica dei mitocondri?>> Siamo anche in questo caso pronti a lamentarci a piangerci addosso, arte in cui gli italiani primeggiano o a non dare adeguato risalto al lavoro di altri (nemo profeta in patria)? In questo, come in ogni contesto scientifico, bisogna avvalersi di parametri ben definiti la cui introduzione ha posto argine (relativo) all’autoreferenzialità di molti accademici di vecchio stampo. Esiste il sito www.mitochondrial.net che corrisponde a - Mitochondria Research nel quale, in corrispondenza di Laboratory explorer o Lab % rankings c’è la classifica dei mitocondriologi di tutto il mondo. I BIOCHIMICI ITALIANI SONO BEN PIAZZATI! Addirittura nella classifica per numero di lavori tre biochimici italiani sono compresi nei primi dieci Non si pensi che essere ai vertici della classifica dei mitocondriologi comporti dedizione assoluta alla causa, seriosità o chiusura in una sorta di “turris eburnea”: Giorgio Lenaz, ritratto nella foto in un congresso, uno dei migliori mitocondriologi italiani ha scritto un “Divino Chinone”, dedicato all’ubichinone componente mobile della catena respiratoria, il cui primo canto d’introduzione così recita: Nel mezzo del cammin della catena Respiratoria trovasi un chinone Che gli elettroni al bc1 mena Alla sua conoscenza ancor s’oppone La sua lipofilia ed il legame Che ne rende incompleta l’estrazione. Fred Crane con David Green squarciò il velame Della redox funzion del Coenzima Su cui i ricercator pongon lor brame. Esso sen sta della membrana in cima, O forse del bilayer nel profondo Ove mobile assai esser si stima. Or dal Complesso primo, or dal secondo Movesi al terzo che non è distante Facendo in tale modo un giro tondo Mostra il chinone a noi doppio sembiante, Con la testa polare e con la coda Che è lunga assai e dei lipidi amante: La sua catena lateral si snoda Per dieci fiate isoprenoidi in fila Nel Q10 (che è quello più di moda) Utile ei fu a cento e centomila, Al cor malati oppure al paradonto, Ed altri ancor che penna mia non stila. Ma più che dall’Iberia all’Ellesponto, Nella nazione è là del Sol Levante (Dove l’Eisai lo tiene in grande conto) I. Preambolo 15 15 Che fu somministrato agli altri avante; Nota non è ragione della cura, Ma forse è nel suo effetto antiossidante. Folkers fu il primo, e poscia Yamamura, Che fur maestri autor di molti tomi, Per chiarir la funzione ancora oscura. Degni di laude sono, anzi d’encomi, Tutti i ricercator che sopra questa Molecola hanno posto i loro nomi. Le regole del pool che mai non resta, Stabilite da Green con intuizione, Fur poi motivo d’Alemanna festa: Ché Kröger con mirabil decisione, congiunta con teutonico rigore, Formulò la famosa equazïone: Con Klingenbérg ei divide l’onore Di collegare la velocità Dell’ossidante con il riduttore. Ma ancora il meccanismo non si sa, Anche se grande schiera di scienziati Mostrate ha tutte sue capacità. Di questi canterò con versi alati, Dicendo cose che nessun s’aspetta, I segreti svelando più celati: Ma non farò però del Q trombetta. E’ evidente che l’autore conosce sia Dante sia l’ubichinone del quale mostra alcune caratteristiche, dando merito ad altri scienziati delle scoperte. La lettura del canto ci può aiutare a ricordare qualche caratteristica della catena respiratoria. Se volessimo saperne di più degli scienziati citati? Basta ricorrere ai “data base” con i quali è opportuno stabilire rapporti continui e fruttuosi ora e sempre negli anni dell’attività professionale. Abbiamo i mezzi per aggiornarci di continuo! Altro messaggio del canto: Studenti, impariamo a dar merito ai colleghi di intuizioni, competenze e virtù senza che questo ci tolga niente, rallegriamoci dei loro successi e siamo loro solidali per qualche …infortunio! Per i …pochi che non lo sanno, è opportuno far presente che ogni informazione riportata in un testo scientifico deve la sua origine a uno o più lavori sperimentali pubblicati su riviste/giornali, (ma non “Il Corriere della sera” o “Il Quotidiano del Molise”) specifici per l’argomento in forma di “regular papers” o di “review”. Esiste una sorta di classifica che definisce l’importanza delle riviste che si basa sullo “impact factor” (IF): se l’IF è 3 il rapporto tra le citazioni degli articoli pubblicati in quella rivista e il numero degli articoli è 3. Non sfugge ad alcuna persona di buon senso che non sempre la citazione è sintomo di apprezzamento: per esempio 1000 articoli potrebbero affermare che quanto scritto nell’articolo in questione è un cumulo di sciocchezze…eppure questo articolo (e i suoi autori) annovererebbero ben 1000 citazioni. Nelle citazioni compaiono, con 16 16 Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico modalità diverse specifiche della rivista, i nomi degli autori, l’anno di pubblicazione, in nome della rivista il numero del volume e le pagine relative all’articolo da cui è tratta l’informazione riportata. Ovviamente vita, morte e miracoli degli autori e storia delle ricerche relative a un argomento si possono conoscere consultando i data base disponibili tipo PubMed (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/), Google Scholar (http://scholar.google.it/) e qualsiasi altra fonte simile. E’ ovvio che la qualità dell’articolo è caratteristica dello stesso e permane tale indipendentemente dalla rivista nella quale sia l’articolo sia stato pubblicato, anche se verosimilmente un articolo o una review pubblicata su una rivista con altissimo IF dovrebbero essere caratterizzati da estrema autorevolezza. Tuttavia, nel leggere questo testo, costateremo quante inesattezze sono contenute in eccellenti giornali in articoli scritti da “celebri” scienziati. Sia alla luce delle considerazioni appena fatte sul ruolo della membrana mitocondriale esterna nel controllo del flusso di metaboliti e per la presenza di microcompartimentazione dell’IMS, sia perché il trasporto mitocondriale è correlato con e talvolta regolato dal metabolismo energetico, considereremo quasi esclusivamente gli studi su mitocondri isolati e non quelli, anche pregevoli che hanno per oggetto sistemi artificiali costituiti da proteine di trasporto isolate e da liposomi. Questo perché tanto più vicino alla “natura” è il sistema sperimentale, tanto più attendibili sono le conclusioni che la ricerca può consentire di trarre. Lo studente che si accinge a leggere questo libro si prepari! E’ strano il fatto che nel caso che uno studente decida di impegnarsi in attività fisica si programma le ore di palestra, sceglie con attenzione, con l’aiuto del “personal trainer”, le modalità di allenamento tali da migliorare le sue prestazioni e il suo aspetto fisico; inoltre periodicamente verifica con parametri oggettivi quanto quest’attività abbia giovato alla sua “prestanza/avvenenza”. Al contrario lo studio è fatto di solito in maniera casuale senza trainer né verifiche, all’insegna dell’avventura e dell’arrangiarsi furbo che portano a solo a danneggiare se stessi. Scopo del libro Seguendo il metodo corretto per la comprensione ottimale di ogni frase, prima di incominciare lo studio definiamo “dove vogliamo andare a parare”. In questo modo, avendo la meta chiara, manterremo la barra del timone nella posizione corretta, consci che una minima deviazione dalla giusta rotta alla partenza ci porterebbe lontano dalla meta. Lo scopo del libro è integrare i testi di biochimica con argomenti non trattati o mal trattati: descrivere caratteristiche del trasporto di metaboliti attraverso la MIM nell’ambito del metabolismo energetico, con un’attenzione particolare alle metodologie e alle tecniche utili allo studio del trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico cellulare. Nella sua “ratio” il libro ambisce a stimolare la capacità critica e la capacità di deduzione, l’indipendenza di giudizio, la capacità di reperire le nozioni che migliorino la conoscenza “giorno per giorno” via via che siano state prodotte. Il libro vuole anche facilitare l’approccio all’esame, guidando lo studente volenteroso e obbediente nel lungo percorso che porta alla scolvolgente “esperienza” di divertirsi nello studio e di goderne, nella speranza che il divertimento sia continuo per tutta l’attività lavorativa del futuro. I. Preambolo 17 17 Non esiste solo l’esperienza di fare qualcosa di trasgressivo, che si sa essere sbagliato e che qualcuno giustifica dicendo “se non si fa a vent’anni, quando si deve fare”! Non è mica obbligatorio sbagliare sapendo di farlo! Si consiglia caldamente l’esperienza di essere educati, rispettosi dell’altro e di essere determinati a superare ogni ostacolo che ci siamo proposti di superare e a raggiungere ogni meta, anche se non di grande importanza che abbiamo scelto d raggiungere. Sollecitato da più di uno studente che ha apprezzato le note del testo di enzimologia, ho aggiunto anche in questo caso qualche spunto di reflessione in appendice. Dato che i mitocondri rappresentano spazi chiusi nella cellula, perché possa aver luogo il metabolismo energetico è necessario che ci sia “traffico” dei metaboliti attraverso la membrana mitocondriale: alcuni dal citosol entreranno nei mitocondri per essere degradati a scopo energetico e/o per dare origine ad altri metaboliti, altri invece usciranno dai mitocondri, luogo della loro sintesi per essere poi nel citosol substrati di alcune reazioni e/o modulatori di altre. Ovviamente, cruciale è la presenza di enzimi la cui attività catalitica è funzione dei parametri noti (vedi “Elementi di Enzimologia”). Fatta eccezione di poche molecole il cui trasporto nei mitocondri o dai mitocondri avviene per libera diffusione (ma questo dogma sta per essere abolito!), il “traffico” dei metaboliti dipende dalla presenza di proteine di trasporto localizzate nella membrana mitocondriale interna, denominate trasportatori, traslocatori o “carrier” mitocondriali che svolgono la loro funzione in processi denominati in inglese uniport, symport e antiport. Questi termini di etimologia greco-latina indicano che un substrato (consideriamo questo termine sinonimo di metabolita) può attraversare la membrana mitocondriale interna “per conto suo” (uniport), insieme a qualche altro individuo chimico, di solito il protone, (symport) (sym deriva dal greco VXQ insieme), o in scambio (anti) con un altro metabolita (antiport). Sono circa cinquanta i processi di trasporto catalizzati da più di trenta trasportatori, di alcuni di questi tratteremo dopo aver brevemente descritto le metodiche utilizzate per studiare il trasporto di metaboliti in mitocondri isolati. Inoltre, alla luce dell'esistenza di processi di trasporto di recente scoperta, sarà poi descritto e/o aggiornato il ruolo dei mitocondri in alcuni aspetti del metabolismo glicidico, lipidico e azotato. La lettura di queste pagine e la descrizione delle vie metaboliche fatta alla luce della localizzazione degli enzimi partecipanti alle stesse e del “traffico” determinato dalla localizzazione, potranno dare risposte a semplici domande rimaste senza risposta nello studio del metabolismo energetico, qualche esempio: E’ vero che le concentrazioni dei metaboliti nello spazio intermembrane dei mitocondri e nel citosol sono uguali? E’ vero che l’ossalacetato (OAA) non è in grado di entrare nei mitocondri? In che modo e a che scopo il citrato è trasportato dalla matrice al citosol? Il fosfoenolpiruvato può entrare nei mitocondri? Può uscirne? E a che scopo? L-lattato, che si forma nei muscoli nella contrazione anaerobica, non ha altra destinazione che essere trasportato dal sangue nel fegato, e nel citoplasma degli epatociti, convertirsi in piruvato come descritto nel ciclo di Cori? 18 18 Il trasporto mitocondriale nel metabolismo energetico Partecipano direttamente i mitocondri all’ossidazione del L-lattato, e se così fosse quale sarebbe il ruolo fisiologico del metabolismo mitocondriale del L-lattato? Esiste un metabolismo mitocondriale dell’isomero D- del lattato? Che ne è del fumarato che si forma nel citosol in vari processi tra cui il ciclo dell’urea? Ci sono novità sul metabolismo mitocondriale della prolina e della glutammina? Poiché ogni cellula ha il suo specifico metabolismo con un ruolo specifico per i suoi mitocondri, non è corretto trasferire le caratteristiche del trasporto di ogni substrato studiato in mitocondri isolati da un organo o tessuto a mitocondri di diversa provenienza, tuttavia va considerata accettabile l’ipotesi che quanto accade in mitocondri di una certa origine possa accadere anche in altri di origine diversa. Questa è una prassi ormai accettata: si pensi all’uso dei lieviti come sistemi modello per lo studio della biochimica dei sistemi più complessi.
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