Fosforilazione ossidativa e adenocarcinoma pancreatico
Daniela Basso
Dipartimento di Medicina di Laboratorio
Azienda Ospedaliera di Padova
Via Giustiniani 2,
35128 - Padova
La fosforilazione ossidativa è caratterizzata dal passaggio di elettroni attraverso una serie di
complessi molecolari noti come sistema di trasporto degli elettroni. In questo processo sono
coinvolti cinque complessi molecolari situati in corrispondenza della membrana mitocondriale
interna e denominati come segue: complesso I (NADH deidrogenasi), complesso II (succinato
deidrogenasi), complesso III (complesso citocromo bc I), complesso IV (citocromo c ossidasi),
complesso V (ATP sintetasi).
I complessi I, III e IV catalizzano il trasferimento di protoni attraverso la membrana
mitocondriale interna e generano in tal modo una differenza di potenziale fra la matrice
mitocondriale interna e la matrice mitocondriale esterna il cui mantenimento è essenziale per la
normale fisiologia cellulare (1).
L'accettore finale di elettroni che vengono trasferiti lungo la catena dei complessi molecolari
preposti alla fosforilazione ossidativa è l'ossigeno molecolare che viene ridotto ad acqua dopo
aggiunta di 4 elettroni e legame con l'idrogeno. Tuttavia una significativa proporzione degli
elettroni evade la catena di trasporto e dà origine all'anione superossido che induce la
produzione di perossido di idrogeno (H2O2). L'anione superossido (O2- °) viene generato per
riduzione dell'O2 ad opera di un solo elettrone. L'anione superossido è un radicale
estremamente reattivo e dannoso. La protonazione dell'anione superossido produce il radicale
idroperossido (HO2 °), che può reagire spontaneamente con un altro anione superossido per
formare il perossido di idrogeno.
L'anione superossido può essere annullato dalla superossido dismutasi, un enzima presente in
tutti gli organismi aerobici, la quale converte due di questi radicali in perossido di idrogeno ed
ossigeno molecolare.
Il perossido di idrogeno, formato dalla superossido dismutasi e da reazioni non catalizzate di
radicali idroperossidi, viene attaccato dalla catalasi, una proteina eme, ubiquitaria che catalizza
la dismutazione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno molecolare. Le perossidasi,
anch'esse proteine eme, catalizzano reazioni analoghe in cui il perossido di idrogeno viene
ridotto ad acqua da un riducente (AH2)
Il perossido di idrogeno in eccesso reagisce con gli ioni Fe++ dando origine a radicali idrossili.
Le specie reattive dell'ossigeno sopra descritte o radicali liberi dell'ossigeno (ROS) possono
alterare proteine, lipidi e acidi nucleici, alterando significativamente la fisiologia cellulare.
Un eccesso di glucosio può causare una alterazione del processo di fosforilazione ossidativa
che a sua volta può provocare una eccessiva produzione di ROS ed una alterazione della
differenza di potenziale a livello della membrana mitocondriale interna. Queste alterazioni della
fisiologia del mitocondrio possono indurre la morte cellulare programmata.
1/4
Fosforilazione ossidativa e adenocarcinoma pancreatico
Morte cellulare programmata
Segnali proapoptotici inducono l'attivazione delle proteine Bax e Bak; la prima è normalmente
situata nel citosol in prossimità della membrana mitocondriale esterna, mentre la seconda è
strettamente associata alla membrana mitocondriale esterna. L'attivazione di Bax e Bak
comporta la loro coalescenza sulla membrana mitocondriale esterna in larghi foci seguita dalla
permeabilizzazione della stessa membrana. A questo fenomeno fa seguito il rilascio nel citosol
di una serie di proteine mitocondriali, fra cui il citocromo c e SMAC (second
mitochondria-derived activator of caspases)/diablo, che partecipano indipendentemente nel
processo di attivazione delle caspasi. Il citocromo c induce l'oligomerizzazione di APAF-1, che
in tal modo è in grado di indurre la dimerizzazione e l'attivazione della caspasi 9, a sua volta
attivatore delle caspasi 3 e 7, gli esecutori attivi dell'apoptosi (2,3).
Sono potenti induttori del rilascio di citocromo c i peptidi BH3, derivati dalla proteina Bid
comprendenti gli aminoacidi 80-99 della suddetta proteina. Questi peptici agiscono
indipendentemente dalla depolarizzazione della membrana mitocondriale interna, come si
verifica in assenza di fattori di crescita o di glucosio (4,5). Le cellule neoplastiche pancreatiche
producono in maniera autocrina numerosi fattori di crescita e internalizzano elevate quantità di
glucosio attraverso l'iperespressione del trasportatore di glucosio Glut1. Queste cellule inoltre
sono adattate alla crescita in medium a bassa tensione di ossigeno e questo comporta una
aumentata sintesi di HIF1a, che a sua volta attiva la trascrizione di geni, fra cui met e CXRC4,
che favoriscono la glicolisi, la neovascolarizzazione e la metastatizzazione (6). Per essere attivo
HIF1a deve essere stabilizzato nel citosol e questo avviene quando l'enzima HIF1a prolil
idrossilasi (PHD) che catalizza l'idrossilazione di HIF1a, è inattivo. E' stato dimostrato che un
accumulo di succinato nel mitocondrio, fenomeno osservabile nel caso di una ridotta attività
della succinato deidrogenasi, provoca il passaggio nel citosol del succinato stesso che inibisce
l'HIF1a prolil idrossilasi (6). Il succinato può in tal modo favorire l'attivazione di HIF1a e quindi
favorire la glicolisi, la neovascolarizzazione e la metastatizzazione. In quest'ottica il complesso
II della fosforilazione ossidativa, che catalizza la conversione del succinato a fumarato, viene
considerato un soppressore della crescita neoplastica.
In un nostro studio precedente (7) abbiamo dimostrato che il terreno condizionato da cellule
neoplastiche pancreatiche è in grado di modificare il livello di espressione di numerosi geni che
codificano proteine coinvolte nella funzione mitocondriale, quali la NADH deidrogenasi, parte
del complesso I, la mitofilina mitocondriale, l'isocitrato deidrogenasi 3 beta (IDH3B) e la
propionil coenzima A carbossilasi. Abbiamo ipotizzato che le cellule neoplastiche pancreatiche
producono fattori solubili in grado di indurre una accelerazione del ciclo mitocondriale degli acidi
tricabossilici, che comporta una aumentata produzione di NAD e FAD a loro volta favorenti la
faosforilazione ossidativa. Questo garantirebbe il mantenimento della differenza di potenziale
della membrana mitocondriale interna e potrebbe contrastare il rilascio di citocromo c rendendo
le cellule maggiormente resistenti all'apoptosi. Un aumentata fosforilazione ossidativa potrebbe
ridurre la disponibilità di succinato, una ridotta attività della HIF1a idrossilasi e quindi favorire
l'attività della HIF1a.
Abbiamo inoltre documentato che specifiche sequenze del DNA mitocondriale, che codifica
alcune proteine dei complessi respiratori, risultano predisporre i pazienti affetti da neoplasia
pancreatica allo sviluppo di diabete e condizionano una prognosi più severa (8). Nel loro
insieme i risultati di questi studi indicano come la funzione mitocondriale possa essere un target
importante nel carcinoma pancreatico. Una accelerazione del ciclo degli acidi tricarbossilici ed
una alterazione della fosforilazione ossidativa secondari alla azione di mediatori prodotti dalle
2/4
Fosforilazione ossidativa e adenocarcinoma pancreatico
cellule neoplastiche pancreatiche, potrebbero essere le basi biologiche da un lato dello stato
ipermetabolico e della precoce cachessia riscontrabile nei pazienti affetti da adenocarcinoma
pancreatico e dall'altro della resistenza all'apoptosi descritta in queste cellule neoplastiche.
Entrambi questi aspetti contribuiscono nel ridurre a pochi mesi la spettanza di vita dei pazienti
affetti da questa neoplasia.
Nelle cellule dove prevalga lo stato ipermetabolico la biodisponibilità di ossigeno condiziona la
quantità di ROS che vengono prodotti. L'ossigeno in eccesso favorisce la produzione di ROS,
mentre viceversa una scarsa disponibilità di ossigeno riduce la produzione di ROS e la
fosforilazione ossidativa.
Bibliografia
1. Van Houten B, Woshner V, Santos JH. Role of mitochondrial DNA in toxic responses to
oxidative stress. DNA Repair (Amst). 2005 May 3 [Epub ahead of print]
2. Green DR. Apoptotic pathways: ten minutes to dead. Cell 121: 671-674, 2005.
3. Youle RJ, Karbowski M. Mitochondrial fission in apoptosis. Nature Rev 6 :657-663, 2005.
4. Gottlieb E, Armor SM, Thompson CB. Mitochondrial respiratory control is lost during growth
factor deprivation. Proc Natl Acad Sci U S A. 99:12801-12806, 2002.
5. Gottlieb E, Armor SM, Harris MH, Thompson CB. Mitochondrial membrane potential
regulates matrix configuration and cytochrome c release during apoptosis. Cell Death Differ
10:709-717, 2003.
6. Selak MA, Armor SM, MacKenzie ED, Boulahbel H, Watson DG, Mansfield KD, Pan Y,
Simon MC, Thompson CB, Gottlieb E. Succinate links TCA cycle dysfunction to oncogenesis by
3/4
Fosforilazione ossidativa e adenocarcinoma pancreatico
inhibiting HIF-alpha prolyl hydroxylase. Cancer Cell 7:77-85, 2005.
7. Basso D, Millino C, Greco E, Romualdi C, Fogar P, Valerio A, Bellin M, Zambon CF, Navaglia
F, Dussini N, Avogaro A, Pedrazzoli S, Lanfranchi G, Plebani M. Altered glucose metabolism
and proteolysis in pancreatic cancer cell conditioned myoblasts: searching for a gene
expression pattern with a microarray analysis of 5000 skeletal muscle genes. Gut 53:1159-116,
2004.
8. Fogar P, Navaglia F, Basso D, Greco E, Sperti C, Zambon C-F, Falda A, Stranges A,
Pasquali C, Pedrazzoli S, Plebani M. Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations: new insights for
pancreatic cancer diagnosis and prognosis. 37h European Pancreatic Club (EPC) Meeting,
Graz, Austria 6-8 luglio 2005: Pancreatology A13, 108.
4/4
