2014-2015 Patologia: logos (studio) + pathos (sofferenza) Et in Arcadia ego Nicolas Poussin Patologia: logos (studio) + pathos (sofferenza) 4 elementi formano un processo patologico: -fattori eziologici: genetici o intrinseci e acquisiti (infettivi, nutrizionali, chimici, fisici) -patogenesi: sequenza di eventi che si verificano nella risposta cellulare o tessutale ad un agente eziologico, dallo stimolo iniziale alla manifestazione della malattia For example, to understand cystic fibrosis o mucoviscidosis: causa comparsa di infezioni polmonari ricorrenti, di insufficienza pancreatica, di steatorrea, di stati di malnutrizione, di cirrosi epatica, di ostruzione intestinale (CFTCR : Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator: trasportatore del cloro) is to know not only the defective gene and gene product, but also the biochemical, immunologic, and morphologic events leading to the formation of cysts and fibrosis in the lung, pancreas, and other organs. It leads to thick, viscous secretions. -modificazioni morfologiche: alterazioni strutturali delle cellule o dei tessuti -alterazioni funzionali e significato clinico: alterazione del funzionamento normale che determina le caratteristiche cliniche (sintomi) -processi reattivi: con i quali l’organismo risponde agli insulti morbigeni Modulo 1 Lez 1 risposta cellulare allo stress e adattamento cellulare He noticed the infiltration of leukocytes in malignant tissues and suggested that cancers arise at site of chronic inflammation Rudolf Ludwig Karl Virchow 1821-1902 Stadi della risposta cellulare allo stress e agli stimoli dannosi Stages in the cellular response to stress and injurious stimuli Principal patterns of cell death -Apoptosis Embriogenesi e vari processi fisiologici -Necrosis Stress conditions Sublethal or chronic stimuli: -subcellular alterations -intracellular accumulation (proteins, lipids, carbohidrates) -pathologic calcification -aging Modificazioni ambientali Nessun danno Danno al DNA Azione lesiva debole Azione lesiva intensa Adattamento Alterazioni della crescita Danno cellulare reversibile Danno cellulare irreversibile Displasia Risoluzione Neoplasia Necrosi Infiammazione Apoptosi Control of Oxygen Homeostasis - systemic erythropoietin - tissue VEGF iNOS - cellular glycolytic enzymes glucose transporter 1, 3 transferrin O2 levels Adattamento cellulare agli stimoli (iperplasia e ipertrofia) Modalità di risposta di cellule e tessuti ad aumentate richieste funzionali: ipertrofia e iperplasia Adattamento (ipertrofia) e morte cellulare (necrosi) (aumento di miofilamenti) Trifeniltetrazolio (substrato enzimatico) Figure 1-2 The relationships between normal, adapted, reversibly injured, and dead myocardial cells. The cellular adaptation depicted here is hypertrophy, and the type of cell death is ischemic necrosis. In reversibly injured myocardium, generally effects are only functional, without any readily apparent gross or even microscopic changes. In the example of myocardial hypertrophy, the left ventricular wall is more than 2 cm in thickness (normal is 1 to 1.5 cm). In the specimen showing necrosis, the transmural light area in the posterolateral left ventricle represents an acute myocardial infarction. All three transverse sections have been stained with triphenyltetrazolium chloride, an enzyme substrate that colors viable myocardium magenta. Failure to stain is due to enzyme leakage after cell death. Espressione genica nell’ipertrofia miocardica Catena pesante a-miosina sostituita con la forma b decreased myosin adenosine triphosphatase (ATPase) activity Changes in the expression of selected genes and proteins during myocardial hypertrophy. In the embryonic heart, the gene for atrial natriuretic factor (ANF) is expressed in both the atrium and the ventricle. After birth, ventricular expression of the gene is down-regulated. Cardiac hypertrophy, however, is associated with reinduction of ANF gene expression. ANF is a peptide hormone that causes salt secretion by the kidney, decreases blood volume and pressure, and therefore serves to reduce hemodynamic load. Geni indotti durante l’ipertrofia miocardica: TGFb IGF-1 FGF Vasoactive agents: a-adrenergic agonists, endothelin-1, angiotensin II Ipertrofia muscolare: Catena pesante a-miosina sostituita con la forma b. Ciò porta a una riduzione dell’attività adenosin-trifosfatasica della miosina (ATPasi), E a una contrazione piu’ lenta ed economica dal punto di vista energetico Ipertrofia aumento dimensioni dovuto ad azione di ormoni (estrogeni) su muscolatura liscia The massive physiologic growth of the uterus during pregnancy is a good example of hormone-induced increase in the size of an organ that results from both hypertrophy and hyperplasia. The cellular hypertrophy is stimulated by estrogenic hormones acting on smooth muscle estrogen receptors, eventually resulting in increased synthesis of smooth muscle proteins and an increase in cell size. Similarly, prolactin and estrogen cause hypertrophy of the breasts during lactation. These are examples of physiologic hypertrophy induced by hormonal stimulation. (Estrogeni e cancro della mammella) Figure 1-3 Physiologic hypertrophy of the uterus during pregnancy. A, Gross appearance of a normal uterus (right) and a gravid uterus (removed for postpartum bleeding) (left). B, Small spindle-shaped uterine smooth muscle cells from a normal uterus (left) compared with large plump cells in gravid uterus (right). Iperplasia (cellule muscolari, epitelio, cellule staminali) • Iperplasia ormonale: necessità di aumento della capacità funzionale (aumento della ghiandola mammaria nella pubertà e utero in gravidanza) • Iperplasia compensatoria (fegatoPrometeo) Meccanismi dell’iperplasia -aumento locale di fattori di crescita -aumento recettori di fattori di crescita -attivazione di segnali intracellulari Nicolas-Sébastien Adam, Parigi, Louvre Mechanisms of oestrogen action Prodotti soprattutto da follicoli ovarici e placenta. Poco da fegato e surrenali Sex steroid hormones, inflammation and cancer Adattamento cellulare agli stimoli (atrofia) Modalità di risposta di cellule e tessuti a diminuite richieste funzionali: atrofia e involuzione Es.: arto fratturato; mancata innervazione, ridotto apporto ematico, atrofia cerebrale, nutrizione inadeguata, mancata stimolazione endocrina (menopausa: mancanza estrogeni correla con atrofia fisiologica dell’endometrio, della mammella, epitelio vaginale), invecchiamento (tessuti con cellule permanenti), pressione (tumore) Atrofia cerebrale Mechanisms of Atrophy. The biochemical mechanisms responsible for atrophy are incompletely understood but are likely to affect the balance between protein synthesis and degradation. Increased protein degradation probably plays a key role in atrophy. Mammalian cells contain multiple proteolytic systems that serve distinct functions. Lysosomes contain acid hydrolases (e.g., cathepsins) and other enzymes that degrade endocytosed proteins from the extracellular environment and the cell surface as well as some cellular components. The ubiquitinproteasome pathway is responsible for the degradation of many cytosolic and nuclear proteins. Proteins to be degraded by this process are first conjugated to ubiquitin and then degraded within a large cytoplasmic proteolytic organelle called the proteasome. This pathway is thought to be responsible for the accelerated proteolysis seen in a variety of catabolic conditions, including cancer cachexia. Hormones, particularly glucocorticoids and thyroid hormone, stimulate proteasomemediated protein degradation; insulin opposes these actions. Additionally, cytokines, such as tumor necrosis factor (TNF), are capable of increasing muscle proteolysis by way of this mechanism. Figure 1-5 A, Atrophy of the brain in an 82-year-old male with atherosclerotic disease. Atrophy of the brain is due to aging and reduced blood supply. The meninges have been stripped. B, Normal brain of a 36-year-old male. Note that loss of brain substance narrows the gyri and widens the sulci. Metaplasia Trasformazione reversibile di un tipo cellulare differenziato in un altro in risposta a condizioni ambientali anomale (risposta adattativa) Tessuto originale Stimolo Tessuto metaplastico Epitelio cilindrico ciliato (albero bronchiale) Fumo di sigaretta Epitelio squamoso Epitelio di transizione (vescica, dotti biliari) Trauma da calcolo Epitelio squamoso Epitelio cilindrico (dotti ghiandolari) Deficit di vitamina A Epitelio cilindrico (dotti ghiandolari) Trauma da calcolo Epitelio squamoso Epitelio squamoso (esofago) Acido gastrico Epitelio cilindrico Tessuto fibroso (osteoide) (dopo frattura) (diff. cells) Trauma cronico Epitelio squamoso Tessuto osseo cilindrico squamoso squamoso cilindrico Alveoli, Barrett metaplasia Ghindole salivari, bile, pancreas Metaplasia: Metaplasia does not result from a change in the phenotype of a differentiated cell type; instead it is the result of a reprogramming of stem cells that are known to exist in normal tissues, or of undifferentiated mesenchymal cells present in connective tissue. In a metaplastic change, these precursor cells differentiate along a new pathway. L'epitelio di Barrett o esofago di Barrett è una metaplasia a carico dell'epitelio esofageo, che viene sostituito con epitelio colonnare. E' una complicanza patologica dell'esofago, in seguito a reflusso gastroesofageo (RGE). In seguito al rilasciamento del cardias, il succo gastrico acido, a contatto prolungato con l'esofago, origina una modificazione dell'epitelio che tenta di difendersi dall'acido. Le cellule che sostituiscono il tratto di epitelio esofageo che viene a contatto con il reflusso acido hanno caratteristiche molto simili a quelle duodenali e costituiscono l'esofago di Barrett. Tale patologia è spesso pre-cancerosa poiché questo epitelio può andare incontro a incontrollata replicazione; questo succede circa nel 2-5% dei casi. Metaplasia. A, Schematic diagram of columnar to squamous metaplasia (eg. lung). B, Metaplastic transformation of esophageal stratified squamous epithelium (left) to mature columnar epithelium (so-called Barrett metaplasia). Differentiation pathways for pluripotent bone marrow stromal cells. TGFb: promotes chondrocites e osteocites; Suppresses muscle e fat Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs): nuclear hormone receptor subfamily of transcription factors. Activation of key regulatory proteins by growth factors, cytokines, or matrix components leads to commitment of stem cells to differentiate into specific cellular lineages. Differentiation of myotubes requires the combined action of several factors (e.g., myoD, myogenin); fat cells require PPARγ, the osteogenic lineage requires CBFA1 (also known as RUNX2), cartilage formation requires Sox9, and endothelial cells require VEGF and FGF-2. Modulo 1 Lez 2 cause di danno cellulare, apoptosi e necrosi, bersagli biochimici del danno cellulare Cause di danno cellulare -Mancanza di ossigeno (-ipossia: causa riduzione della respirazione aerobica ossidativa. (glicolisi: 1 glucosio=2 ATP; respirazione aerobica: 1 glucosio=38 ATP) -ischemia: compromette rifornimento di ossigeno e di substrati metabolici, es. Glucosio) L'ischemia è una mancanza assoluta o parziale di sangue in un organo (per parziale si intende una differenza tra fornitura di sangue e la richiesta di sangue necessaria per la corretta ossigenazione del tessuto). Essa può anche essere descritta come inadeguato flusso sanguigno verso una parte del corpo, causata da una costrizione o ostruzione dei vasi sanguigni. -agenti fisici (traumi, temperatura, radiazioni, etc.) -agenti chimici e farmaci (glucosio, Sali a concentrazioni ipertoniche (alterazione omeostasi elettrolitica); O2 ad alte concentrazioni -agenti infettivi (virus, batteri, funghi, parassiti) -reazioni immunologiche (autoimmunità; reazioni anafilattiche verso proteine estranee o farmaci) -alterazioni genetiche (es.: anemia falciforme: La condizione falcemica è ereditata in maniera autosomica recessiva, ed è caratterizzata dalla produzione di una emoglobina patologica, detta HbS, che per le sue caratteristiche chimiche, tende a precipitare ed a conferire all'eritrocita la tipica forma a ridotta sopravvivenza globuli rossi; bTalassemia: emopatie ereditarie recessive, caratterizzate dalla ridotta o assente sintesi dell'emoglobina. Sintesi difettosa dell’emoglobina b. Le alterazioni del gene beta sono eterogenee: possono infatti verificarsi sia delezione, sia alterazioni puntiformi Porta a distruzione precoce delle cellule emopoietiche) -squilibri nutrizionali (es.: carenza in popolazioni povere, anoressia, digiuno volontario; eccesso in: obesità predispone a aterosclerosi, eccesso di lipidi nella dieta a steatosi epatica) -malattie metaboliche: diabete (glicotossicità, infiammazione, tossicità lipidi) Fasi dell’evoluzione della morte e del danno cellulare lethal hit Riduzione fosforilazione ossidativa Deplezione ATP rigonfiamento cellulare per: variazione concentrazione ionica e Ingresso H2O Danni mitocondriali Danni membrane, rilascio enzimi lisosomiali e digestione del citoplasma necrosi Stages in the evolution of cell injury and death. Necrosi e apoptosi differiscono per morfologia, meccanismi e ruoli in fisiologia e patologia Danno cellulare reversibile e irreversibile lethal hit nuclear codensation (pyknosis), followed by fragmentation (karyorrhexis) and dissolution of the nucleus (karyolysis). Schematic representation of a normal cell and the changes in reversible and irreversible cell injury. Reversible injury is characterized by generalized swelling of the cell and its organelles; blebbing of the plasma membrane; detachment of ribosomes from the endoplasmic reticulum; and clumping of nuclear chromatin. Transition to irreversible injury is characterized by increasing swelling of the cell; swelling and disruption of lysosomes; presence of large amorphous densities in swollen mitochondria; disruption of cellular membranes; and profound nuclear changes. The latter include nuclear codensation (pyknosis), followed by fragmentation (karyorrhexis) and dissolution of the nucleus (karyolysis). Laminated structures (myelin figures) derived from damaged membranes of organelles and the plasma membrane first appear during the reversible stage and become more pronounced in irreversibly damaged cells. Alterazioni ultrastrutturali nella necrosi e nell’apoptosi phagocytes The sequential ultrastructural changes seen in necrosis (left) and apoptosis (right). In apoptosis, the initial changes consist of nuclear chromatin condensation and fragmentation, followed by cytoplasmic budding and phagocytosis of the extruded apoptotic bodies. Signs of cytoplasmic blebs, and digestion and leakage of cellular components. Features of necrosis and apoptosis Feature Necrosis Apoptosis Cell size Enlarged (swelling) Reduced (shrinkage) Nucleus Pyknosis → karyorrhexis → karyolysis Fragmentation into nucleosome size fragments Plasma membrane Disrupted Intact; altered structure, especially orientation of lipids Cellular contents Enzymatic digestion; may leak out of cell Intact; may be released in apoptotic bodies Adjacent inflammation Frequent No Physiologic or pathologic role Invariably pathologic (culmination of irreversible cell injury) Often physiologic, means of eliminating unwanted cells; may be pathologic after some forms of cell injury, especially DNA damage Bersagli funzionali della lesione cellulare -Durata stimolo lesivo -Capacità di adattamento cellula danneggiata Bersagli cellulari biochimici del danno cellulare respirazione aerobica, integrità membrane cellulari (omeostasi ionica), sintesi proteica, citoscheletro, integrità apparato genetico Cellular and biochemical sites of damage in cell injury deplezione ATP spesso associata a danno ipossico o chimico Es.: cervello vs fegato Danno pompa Na/K: Na accumula, K scende membrane transport sintesi proteica, lipogenesi Functional and morphologic consequences of decreased intracellular ATP during cell injury. Disfunzione mitocondriale nel danno cellulare Danni mitocondriali indotti da: -aumento calcio citosolico -stress ossidativo -fosfolipasi A2 e sfingomielina (rottura fosfolipidi) -derivati di lipidi (acidi grassi liberi e ceramide) Formazione di canali MTP: Preclude mantenimento del potenziale di membrana Cytocrome c è Componente integrale Della fosforilazione ossidativa. Sua fuoriuscita induce morte cellulare Incremento citosolico di calcio nel danno cellulare (1,3 mmol) gradiente di Ca2+ è regolato da: Ca2+ e Mg2+ ATPase (<0.01 mmol) Sources and consequences of increased cytosolic calcium in cell injury. ATP, adenosine triphosphate. Stress ossidativo: ruolo delle specie ossidative (ROS) nel danno cellulare Ossidasi (RE, mitocondri, Memb citopl., perossisomi, citosol) Dismutazione Ossidasi (perossisomi) Durante il processo respiratorio O2 viene ridotto mediante trasferimento di 4 elettroni a idrogeno H2, per generare due molecole di H2O. Tale reazione è catalizzata da enzimi ossidativi (ossidasi). Nel corso della reazione si generano piccole quantità di intermedi parzialmente ridotti che hanno ricevuto elettroni Dalla molecola H2O (anione superossido, perossido di idrogeno, ioni ossidrili) Ruolo delle specie reattive nel danno cellulare (stress ossidativo da ischemia e riperfusione) Energia: riduzione O2 a H2O 2 glutatione + H2O2 ⇄ glutatione disolfuro + 2 H2O H2O2 NO puo’ agire da radicale libero, ma può esser anche convertito in Anione perossinitrito (ONOO-) o in NO2 e NO3- (Glutatione: tripeptide antiossidante) ) (chela ferro (chela rame e ferro ) The role of reactive oxygen species in cell injury. O2 is converted to superoxide (O2-) by oxidative enzymes in the endoplasmic reticulum (ER), mitochondria, plasma membrane, peroxisomes, and cytosol. O2- is converted to H2O2 by dismutation and thence to OH by the Cu2+/Fe2+-catalyzed Fenton reaction. H2O2 is also derived directly from oxidases in peroxisomes. Not shown is another potentially injurious radical, singlet oxygen. Resultant free radical damage to lipid (peroxidation), proteins, and DNA leads to various forms of cell injury. Note that superoxide catalyzes the reduction of Fe3+ to Fe2+, thus enhancing OH generation by the Fenton reaction. The major antioxidant enzymes are superoxide dismutase (SOD), catalase, and glutathione peroxidase. GSH, reduced glutathione; GSSG, oxidized glutathione; NADPH, reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate. Danno di membrana nel danno cellulare -Ac.grassi liberi non esterificati -Acil carnitina e lisofosfolipidi -Prodotti catabolici risultanti dalla Degradazione dei fosfolipidi Rottura membrane lisosomi libera: -RNasi -Lipasi -Glucosidasi -catepsine Mechanisms of membrane damage in cell injury. Decreased O2 and increased cytosolic Ca2+ are typically seen in ischemia but may accompany other forms of cell injury. Reactive oxygen species, which are often produced on reperfusion of ischemic tissues, also cause membrane damage. Timing of biochemical and morphologic changes in cell injury. Postulated sequence of events in reversible and irreversible ischemic Doppi strati lipidici sovrapposti che assumono la forma di sfere, di cilindri e spirali neutrofili Attivazione del complemento Postulated sequence of events in reversible and irreversible ischemic cell injury. Note that although reduced oxidative phosphorylation and ATP levels have a central role, ischemia can cause direct membrane damage. ER, endoplasmic reticulum; CK, creatine kinase; LDH, lactate dehydrogenase; RNP, ribonucleoprotein. Morphologic changes in reversible and irreversible cell injury. A, Electron micrograph of a normal epithelial cell of the proximal kidney tubule. Note abundant microvilli (mv) lining the lumen (L). N, nucleus; V, apical vacuoles (which are normal structures in this cell type). B, Epithelial cell of the proximal tubule showing reversible ischemic changes. The microvilli (mv) are lost and have been incorporated in apical cytoplasm; blebs have formed and are extruded in the lumen (L). Mitochondria are slightly dilated. (Compare with A.) C, Proximal tubular cell showing irreversible ischemic injury. Note the markedly swollen mitochondria containing amorphous densities, disrupted cell membranes, and dense pyknotic nucleus. Quadri di necrosi tissutale: -Necrosi coagulativa Forma di necrosi in cui l’architettura del tessuto morto viene preservata per un lasso di tempo minimo di alcuni giorni. Il danno denatura presumibilmente non solo le proteine strutturali, ma anche gli enzimi proteolitici A: infarto cuneiforme del rene (giallo). B: aspetto microscopico del margine dell’infarto, con podociti normali (N) e cellule necrotiche nella zona infartuata (I) caratterizzate da contorni cellulari preservati, perdita del nucleo e infiltrati infiammatorio Quadri di necrosi tissutale: Necrosi colliquativa: digestione delle cellule morte e trasformazione del tessuto in massa liquida viscosa Infarto cerebrale con dissoluzione del tessuto Quadri di necrosi tissutale: Necrosi caseosa: Riscontrata frequentemente nei focolai di infezione tubercolare. Aspetto biancastro e friabile dell’area necrotica. Appare come complesso di cellule lisate o frammentate e di detriti amorfi granulari con un fronte infiammatorio nettamente delimitato. Tubercolosi polmonare con estesa area di necrosi caseosa con dendriti bianco-giallastri di consistenza simile al formaggio Quadri di necrosi tissutale: Steatonecrosi: Non denota alcun tipo specifico di necrosi. Caratterizzato da zone focali di distruzione lipidica. Tipicamente derivanti dal rilascio di enzimi pancreatici (pancreatiti), che fuoriescono dalle cellule acinose e liquefano la membrana degli adipociti presenti nel peritoneo. Steatonecrosi. Le aree caratterizzate da depositi bianchi di aspetto gessoso rappresentano focolai di steatonecrosi con formazione di saponi di calcio (saponificazione) in corrispondenza delle zone di distruzione lipidica del mesentere Quadri di necrosi tissutale: Necrosi fibrinoide: osservata generalmente durante reazioni immunitarie che coivolgono I vasi sanguigni. Quando complessi di antigeni e anticorpi si depositano sulla parete arteriosa. Gli immunocomplessi, insieme alla fibrina uscita dai vasi, conferiscono al tessuto aspetto amorfo rosa chiaro (aspetto fibrinoide). Necrosi fibrinoide di un’arteria. La parete dell’arteria mostra un’area circolare di necrosi, di colore rosa chiaro, con un’infiammazione (neutrofili con nucleo scuro) Modulo 1 Lez 3 Danno ischemico, danno chimico, apoptosi, accumuli intracellulari ISCHEMIA-REPERFUSION INJURY • Restoration of blood flow to ischemic tissues can result in recovery of cells if they are reversibly injured, or not affect the outcome if irreversible cell damage has occurred. However, depending on the intensity and duration of the ischemic insult, variable numbers of cells may proceed to die after blood flow resumes, by necrosis as well as by apoptosis. The affected tissues often show neutrophilic infiltrates. As noted earlier, this ischemiareperfusion injury is a clinically important process in such conditions as myocardial infarction and stroke and may be amenable to therapeutic interventions. • How does reperfusion injury occur? The likely answer is that new damaging processes are set in motion during reperfusion, causing the death of cells that might have recovered otherwise. Several mechanisms have been proposed: New damage may be initiated during reoxygenation by increased generation of oxygen free radicals from parenchymal and endothelial cells and from infiltrating leukocytes. Superoxide anions can be produced in reperfused tissue as a result of incomplete and vicarious reduction of oxygen by damaged mitochondria or because of the action of oxidases derived from leukocytes, endothelial cells, or parenchymal cells. Cellular antioxidant defense mechanisms may also be compromised by ischemia, favoring the accumulation of radicals. Free radical scavengers may be of therapeutic benefit. • Reactive oxygen species can further promote the mitochondrial permeability transition, referred to earlier, which, when it occurs, precludes mitochondrial energization and cellular ATP recovery and leads to cell death. Ischemic injury is associated with inflammation as a result of the production of cytokines and increased expression of adhesion molecules by hypoxic parenchymal and endothelial cells. These agents recruit circulating polymorphonuclear leukocytes to reperfused tissue; the ensuing inflammation causes additional injury. The importance of neutrophil influx in reperfusion injury has been demonstrated by experimental studies that have used anti-inflammatory interventions, such as antibodies to cytokines or adhesion molecules, to reduce the extent of the injury. • • Recent data suggest that activation of the complement pathway may contribute to ischemia-reperfusion injury. The complement system is involved in host defense and is an important mechanism of immune injury. Some IgM antibodies have a propensity to deposit in ischemic tissues, for unknown reasons, and when blood flow is resumed, complement proteins bind to the antibodies, are activated, and cause cell injury and inflammation. Knockout mice lacking several complement proteins are resistant to this type of injury. lavanderie ossidasi p450 Danno chimico ossidazione CCl3.:highly reactive toxic free radical -Cl-Mercurio (lega gruppi sulfidrili della membrana): Aumento permeabilità membrana cell. e blocco del trasporto attivo ATPasi-dipendente -Cianuro: avvelena citocromo ossidasi mitocondriale e blocca respirazione ossidativa -Paracetamolo: P-450 catabolizza conversione paracetamolo a metabolita tossico (NAPQ1). NAPQ1 interagisce con GSH (riducente). Se vengono Ingerite alte dosi…. Interagiscono con trigliceridi per secrezione citocromi P450: sono i maggiori attori coinvolti nella detossificazione dell'organismo Sequence of events leading to fatty change and cell necrosis in carbon tetrachloride (CCl4) toxicity. RER, rough endoplasmic reticulum; SER, smooth endoplasmic reticulum. The sequential ultrastructural changes seen in necrosis (left) and apoptosis (right). In apoptosis, the initial changes consist of nuclear chromatin condensation and fragmentation, followed by cytoplasmic budding and phagocytosis of the extruded apoptotic bodies. Signs of cytoplasmic blebs, and digestion and leakage of cellular components. Apoptosi • Physiologic situations • • • • • • embriogenesi (organogenesi, sviluppo involutivo) Hormone-dependent involution in adults (cellule endometrio durante ciclo mestruale; follicoli ovarici in menopausa). Cell deletion in proliferating epithelia (intestinal cript), to maintain costant number inflammation Elimination of self-reactive lymphocytes Cell death induced by reactive T lymphocytes • Pathologic situations • • • • Cell death produced by injurious stimuli Cell death in viral diseases pathologic atrophy in parenchimal organs after duct obstruction (pancreas, kindey) Cell death induced by T cells in tumors Apoptosi: -clivaggio delle proteine: (caspasi) -rottura del DNA-endonucleasi: (50-300kb e taglio internucleosomico 300-500nt) -ricognizione fagocitaria: fosfatidilserina/annessina5, Trombospondina; fagocitosi Agarose gel electrophoresis of DNA extracted from culture cells. Ethidium bromide stain; photographed under ultraviolet illumination. Lane A, Control culture. Lane B, Culture of cells exposed to heat showing extensive apoptosis; note ladder pattern of DNA fragments, which represent multiples of oligonucleosomes. Lane C, Culture showing massive necrosis; note diffuse smearing of DNA. The ladder pattern is produced by enzymatic cleavage of nuclear DNA into nucleosome-sized fragments, usually multiples of 180-200 base pairs. These patterns are characteristic of but not specific for apoptosis and necrosis, respectively. The sequential ultrastructural changes seen in necrosis (left) and apoptosis (right). In apoptosis, the initial changes consist of nuclear chromatin condensation and fragmentation, followed by cytoplasmic budding and phagocytosis of the extruded apoptotic bodies. Signs of cytoplasmic blebs, and digestion and leakage of cellular components. FADD-Fas-associated death domain mitochondrial permeability transition Bax, Bak Bcl2, Bcl-x Mechanisms of apoptosis. Labeled (1) are some of the major inducers of apoptosis. These include specific death ligands (tumor necrosis factor [TNF] and Fas ligand), withdrawal of growth factors or hormones, and injurious agents (e.g., radiation). Some stimuli (such as cytotoxic cells) directly activate execution caspases (right). Others act by way of adapter proteins and initiator caspases, or by mitochondrial events involving cytochrome c. (2) Control and regulation are influenced by members of the Bcl2 family of proteins, which can either inhibit or promote the cell's death. (3) Executioner caspases activate latent cytoplasmic endonucleases and proteases that degrade nuclear and cytoskeletal proteins. This results in a cascade of intracellular degradation, including fragmentation of nuclear chromatin and breakdown of the cytoskeleton. (4) The end result is formation of apoptotic bodies containing intracellular organelles and other cytosolic components; these bodies also express new ligands for binding and uptake by phagocytic cells. La via intrinseca mitocondriale dell’apoptosi Perdita di segnali di sopravvivenza, danni al DNA, etc., attivano sensori deputati ad antagonizzare le proteine antiapoptotiche e di attivare le proteine proapoptotiche BAX e BAK BAX/BAK (Fattore pro-apoptotico) (20 members) Caspase3/6 The intrinsic (mitochondrial) pathway of apoptosis. Death agonists cause changes in the inner mitochondrial membrane, resulting in the mitochondrial permeability transition (MPT) and release of cytochrome c and other pro-apoptotic proteins into the cytosol, which activate caspases La via intrinseca mitocondriale dell’apoptosi Perdita di segnali di sopravvivenza, danni al DNA, etc., attivano sensori deputati ad antagonizzare le proteine antiapoptotiche e di attivare le proteine proapoptotiche BAX e BAK The extrinsic pathway Herpes viruses (including Kaposi's-sarcoma-associated human herpesvirus-8 express the Viral FLICE-inhibitory proteins (FLIPs) prevent apoptosis induced by death receptors Virus: FLIP Nell’uomo: Caspase 10 The extrinsic (death receptor-initiated) pathway of apoptosis, illustrated by the events following Fas engagement Film apoptosis http://www.youtube.com/watch?v=tf0Eifpn Aus http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=http %3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch %3Fv%3Dtf0eifpnaus&source=web&cd=1 &cad=rja&sqi=2&ved=0CCAQtwIwAA&url= http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fw atch%3Fv%3Dtf0EifpnAus&ei=RmNwUOe aOsjMsgaD14GgDQ&usg=AFQjCNFnzh8 Uuspfz_1KnUjP9DPJIxElsA • Patologie associate a difetto di apoptosi: -cancro -malattie autoimmuni (Linfociti T autoimmuni) • Patologie associate a un aumento di apoptosi: -malattie neurodegenerative (atrofia muscolare spinale) -danno ischemico (infarto miocardico, ictus cerebrale) -infezioni virali (morte cellule infettate) Role of chaperones Chaperonopatie genetiche (neuropatie, cardiomiopatie, dilatativa e fegato policistico) e acquisite (ceppo virulento di E.Coli tahlia la Hsp70) a elica o b foglietti Mechanisms of protein folding and the role of chaperones. A, Chaperones, such as heat shock proteins (Hsp), protect unfolded or partially folded protein from degradation and guide proteins into organelles. B, Chaperones repair misfolded proteins; when this process is ineffective, proteins are targeted for degradation in the proteasome, and if misfolded proteins accumulate they trigger apoptosis. Il sistema ubiquitina-proteasoma Ubiquitina (Ub) è attivata (Ub*) dall’enzima E1. E2 lega Ub* e interagisce con un terzo enzima (E3 (ubiquitina ligasi) mediante il quale lega una particolare proteina. Processo si ripete piu’ volte per formare una catena Ub attaccata alla proteina. De-ubiquitinasi (DUBs) degradano la catena. I proteasomi (26S) riconosce proteina poli-ubiquitinata attraverso la subunità 19S E la degradano in oligopeptidi. Autofagosoma circonda Citoplasma e organelli Tipi di autofagia Organelli/materiale estraneo Inglobati da lisosomi Macromolecole condotte ai lisosomi da proteine chaperone (es. hsp70) Autophagy (or autophagocytosis) is the basic catabolic mechanism that involves cell degradation of unnecessary or dysfunctional cellular components through the actions of lysosomes. The breakdown of cellular components promotes cellular survival during starvation by maintaining cellular energy levels. Autophagy allows the degradation and recycling of cellular components. During this process, targeted cytoplasmic constituents are isolated from the rest of the cell within a double-membraned vesicle known as an autophagosome. The autophagosome then fuses with a lysosome and its cargo is degraded and recycled.There are three different forms of autophagy that are commonly described; macroautophagy, microautophagy and chaperone-mediated autophagy. In the context of disease, autophagy has been seen as an adaptive response to stress which promotes survival, whereas in other cases it appears to promote cell death and morbidity Accumuli intracellulari Steatosi epatica 1-antitripsina è necessaria per evitare che la elastasi neutrofila (una proteasi) danneggi gli alveoli polmonari La malattia di Gaucher è una patologia da accumulo lisosomiale secondaria al deficit di glucocerebrosidasi: presenza di depositi di glucosilceramidi (o glucocerebrosidi) nelle cellule reticolo-enditeliali del fegato, della milza e del midollo osseo Silicosi, asbestosi Metabolismo alterato a1-antitripsina: cirrosi, enfisema Carenza di glucocerebrosidasi: Trasforma glucocerebroside in glucosio e ceramide accumulo di sostanze non metabolizzabili (silice) Mechanisms of intracellular accumulations: (1) abnormal metabolism, as in fatty change in the liver; (2) mutations causing alterations in protein folding and transport, as in alpha1-antitrypsin deficiency; (3) deficiency of critical enzymes that prevent breakdown of substrates that accumulate in lysosomes, as in lysosomal storage diseases; and (4) inability to degrade phagocytosed particles, as in hemosiderosis and carbon pigment accumulation. esterificazione Cause steatosi: Tossine, Malnutrizione proteica, Diabete mellito , Obesità , Anossia, Abuso alcool Fatty liver. A, Schematic diagram of the possible mechanisms leading to accumulation of triglycerides in fatty liver. Defects in any of the steps of uptake, catabolism, or secretion can result in lipid accumulation. B, High-power detail of fatty change of the liver. In most cells, the well-preserved nucleus is squeezed into the displaced rim of cytoplasm about the fat vacuole. Deficit a1antitripsina: rallentamento processo ripiegamento e accumulo intermedi non ripiegati Nel reticolo endoplasmico del fegato- Enfisema Fibrosi cistica: mutazione ritarda dissociazione della proteina canale del cloro da un chaperonina. Ripiegamento anomalo e perdita di funzione della proteina stessa Mechanisms of protein folding and the role of chaperones. A, Chaperones, such as heat shock proteins (Hsp), protect unfolded or partially folded protein from degradation and guide proteins into organelles. B, Chaperones repair misfolded proteins; when this process is ineffective, proteins are targeted for degradation in the proteasome, and if misfolded proteins accumulate they trigger apoptosis. Colesterolosi Proteinuria: malattia renale con perdita proteine nelle urine. Grave perdita proteine dal filtro glomerulare. Aumento di riassorbimento proteico e delle vescicole. Formazione di fagolisosomi. Gocciole proteiche ialine Proteinuria: malattia renale con perdita proteine nelle urine. Grave perdita proteine dal filtro glomerulare. Aumento di riassorbimento proteico e delle vescicole. Formazione di fagolisosomi. Gocciole proteiche ialine Protein reabsorption droplets in the renal tubular epithelium. • Accumuli intracellulari • glicogeno: disturbo del metabolismo glucosio/glicogeno. Masse di glicogeno-vacuoli chiari-all’interno del citoplasma. (es. diabete: granuli presenti nelle cellule epiteliali dell’ansa di Henle, delle cellule b delle isole di Langerhans, cellule muscolari cardiache) • Pigmenti: esogeni (es. carbone nei macrofagi alveolari-antracosi, pneumoconiosi del minatore) e endogeni (es. lipofuscina o lipocromo o pigmento della vecchiaia. Sono polimeri di lipidi e fosfolipidi complessati con proteine) • Melanina: malattia metabolica (alcaptonuria) causa accumulo di melanina. Da particolare pigmentazione: ocronosi • Emosiderina: pigmento derivato dall’emoglobina, granulare o cristallino. Aggregati di ferritina (ferro + apoferritina:trasporatore del ferro). Hemosiderin granules in liver cells. A, H&E section showing golden-brown, finely granular pigment. B, Prussian blue reaction, specific for iron. • Calcificazioni patologiche: Anormale deposizione di Sali di calcio, insieme a minore quantità di ferro, magnesio e altri sali minerali. • Nei tessuti morti: calcificazione distrofica • Nei tessuti normali: calcificazione metastatica: deriva da ipercalcemia secondaria a disturbi del metabolismo del calcio La calcificazione patologica consiste in un anormale deposizione di sali di calcio Calcificazione distrofica della valvola aortica Le cuspidi semilunari appaiono ispessite e fibrotiche. Dietro ogni cuspide si osservano masse irregolari di intensa calcificazione distrofica Meccanismi di invecchiamento cellulare Telomerasi (aggiunge nucleotidi) l’Hayflick limit Sindrome di Werner (invecchiamento precoce. I geni che controllano il differenziamento, la proliferazione cellulare e che eliminano i danni da radicali liberi sono alterati) I telomeri sono brevi sequenze di DNA ripetuto (TTAGGG nell’uomo) presenti alle estremità dei cromosomi, importanti per garantire completa replicazione delle estremità cromosomiche e per proteggerle dalla fusione e degradazione Invecchiamento cellulare Mechanisms of cellular aging. Genetic factors and environmental insults combine to produce the cellular abnormalities characteristic of aging.
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