Espressione genica e biogenesi mitocondriale nelle dinamiche cellulari

I mitocondri e i loro ruoli biologici. Struttura e funzioni delle membrane mitocondriali. MIM: composizione e permeabilità, proprietà del potenziale elettrico. Aspetti generali dei processi di trasporto attraverso le membrane cellulari. Fusione e fissione mitocondriali, Mitofagia. Principi termodinamici dell’equilibrio chimico e loro utilità nel definire alcune proprietà dei sistemi biologici non in equilibrio. Forza termodinamica traente in un processo reattivo. Processi redox e loro relazioni termodinamiche. Carica energetica cellulare e pool degli adenilati. Coenzimi redox nella fosforilazione ossidativa (OXPHOS). Catena di trasporto elettronico (ETC) mitocondriale e suoi meccanismi generali. Forza proto-motrice (Δp) generata dalla ETC. Misure dei potenziali nei sistemi mitocondriali con sonde fluorescenti: stima della forza proto-motrice (Δp) dal potenziale elettrico della MIM. Gli elettroni si spostano tra centri redox per effetto tunnel: l’esempio della citocromo c ossidasi (COX). I Complessi II e III. Come funziona il ciclo Q. Formazione di ROS nei mitocondri e loro detossificazione con enzimi specifici. Ciclo catalitico della COX: accoppiamento redox/pompaggio protonico . Il complesso V o ATP sintasi: catalisi rotazionale e alcuni modelli per accoppiare il trasferimento di protoni alla sintesi di ATP. I genomi negli organuli a doppia membrana. Modelli evolutivi del DNA mitocondriale (mtDNA). Il mtDNA nei mammiferi e nell’uomo. Eredità mitocondriale. Impaccamento del mtDNA nei nucleoidi. mtDNA ed eredità materna .Meccanismi per impedire eccezioni a una regola quasi inflessibile. La strettoia mitocondriale nell’oogenesi del mammifero. Le mutazioni nel mtDNA: un problema complesso. Modelli alternativi per la replicazione del mtDNA . Intermedi replicativi visualizzati con 2D-AGE. Recenti sviluppi su interazioni mtDNA/nuDNA. Espressione del proteoma mitocondriale. Trascrizione dei filamenti L e H, scissione e maturazione dei trascritti primari, i mitoribosomi e visione d’insieme del loro ciclo traduttivo. Importare proteine mitocondriali a sintesi citoplasmica. L’architettura dei compartimenti mitocondriali e i suoi complessi organizzativi. Espressione coordinata di proteine mitocondriali: come è regolata l’espressione del sistema bigenomico. Regolazione dei geni nucleari che codificano proteine mitocondriali. Montaggio ordinato dei complessi OXPHOS con molte subunità proteiche: l’esempio del Complesso I e un modello quasi completo del suo montaggio. Super-complessi, respirasoma e loro possibile significato funzionale. Tecnologie di genome editing sui mitocondri: ZFN e TALEN. Nuovi sviluppi sull’uso di sistemi CRISPR-Cas9 e -Cas12a nel genome editing mitocondriale: problemi nel localizzare componenti di CRISPR nei mitocondri e sulla specificità di scissione delle nucleasi. Biogenesi mitocondriale locale in cellule neuronali allungate, lontano dal soma cellulare. Trasporto anterogrado e retrogrado di mitocondri nelle estensioni neuronali. Esperimenti sulla replicazione di mtDNA, fusione e fissione mitocondriali in assoni di neuroni periferici, con organuli diversi che spostano granuli di RNA. Alcuni punti specifici sull’energetica mitocondriale e cellulare. Trasformare l’energia chimica in calore: tessuto adiposo bruno e meccanismi termogeni. Trasporto elettronico inverso e generazione di Δp per idrolisi di ATP: alcune eccezioni notevoli. La proteina che inibisce l’attività della oligomicina sulla ATP sintasi: test a punto zero con oligomicina. Approccio funzionale semplificato al potenziale di fosforilazione dell’ATP in vivo. Mitocondri e invecchiamento: un aspetto in continuo sviluppo.