Carnevale della Chimica #8: le sostanze bioattive

Benvenuti alla edizione di agosto del Carnevale della Chimica. Agosto, nella Canzone dei dodici mesi, ispirata ad una poesia del 1300 di Folgore di San Giminiano, viene descritto così:

Non si lavora Agosto, nelle stanche tue lunghe oziose ore
mai come adesso è bello inebriarsi di vino e di calore, di vino e di calore...

 Da qui prederemo spunto per parlare dei polifenoli del vino, resveratrolo e antociani, e il paradosso francese.

L'ottava edizione segue la molto ben riuscita settima edizione dal titolo "Chimica ed elettricità", ospitata da Giovanni Boaga sul blog Storie di Scienza.

In quella occasione, scrivendo sulla generazione del segnale elettrico nelle cellule nervose e muscolari, è nato lo stimolo a rispolverare notizie sulle sostanze che bloccano alcune pompe di membrana che producono i gradienti elettrochimici, e trasportano ioni calcio e sodio.

Ma introduciamo l'argomento partendo dalla struttura dei composti chimici.

La disposizione nello spazio tridimensionale di una molecola determina la forma dello "scaffold", la struttura centrale da cui  si dispongono nelle varie direzioni i gruppi chimici esterni, determinando l'impronta della molecola, se ne potessimo prendere un calco. Pensiamo alla forma della chiave, che è unica per tanti diversi modelli, ed ogni chiave si adatta perfettamente ad una sola serratura (questo anche grazie alla chiralità, alla disposizione stereoselettiva dei residui a destra o a sinistra della struttura portante della molecola, l'effetto selettivo mano destra-guanto destro).

Un ramo della biochimica farmaceutica è quello della modellazione delle strutture chimiche, e della simulazione, grazie anche alla sintesi di migliaia di strutture chimiche che vengono testate come inbitori, modellando l'incastro dei residui attivi all'interno delle tasche  e dei siti attivi da bloccare.

Sempre sul tema della modellazione, Paolo Gifh, curatore del blog “Il Chimico Impertinente”, invia un contributo sulla previsione analitica degli effetti terapeutici delle molecole bioattive

Un requisito per le produzione di sostanze bioattive è la presenza negli organismi di vie di biosintesi, che ne determinano la produzione solo in certe piante o batteri ma non in altri. A differenza dei prodotti di catabolismo, come  acidi grassi a basso numero di carbonio (acido propionico e butirrico che, oltre a fornire energia metabolica,  svolgono azione biologica specifica, agendo su recettori di membrana GPCR o a livello epigenetico inibendo le istone deacetilasi),  i metaboliti secondari sono prodotti tramite biosintesi grazie a geni che codificano gli enzimi per le trasformazioni chimiche necessarie.

Le vie di biosintesi delle sostanze bioattive sono di due tipi, biosintesi di proteine (proteine prodotte da RNA messaggero o tramite sintesi di peptidi non ribosomiale, come batteriocine ed antibiotici), e biosintesi di metaboliti secondari, le varie classi di polifenoli, terpeni, glicosidi ed alcaloidi di cui è ricco il regno vegetale.

Tra i metaboliti secondari vegetali, c'è una forte presenza di sostanze psicotrope (stramonio, datura), cardiotossiche (digitale), o prodotte da funghi contaminanti (ergotossina sulle cariossidi infettate da funghi, che originava le epidemie di balli di San Vito).

Annarita Ruberto, del blog Scientificando, a questo proposito invia il contributo: Analizzare i rischi delle sostanze stupefacenti.

 Un secondo contributo è:

Progettare Esperimenti Con Sostanze Chimiche

Un terzo contributo di Annarita spazia tra biologia, fisica e chimica. Verso La Realizzazione Di Una Retina Artificiale Bio-organica

Paolo Pascucci, autore del blog Questione della decisione, invia un contributo su degli effetti della nicotina, un alcaloide,  e dell'uso di questa sostanza psicoattiva presente nel tabacco e responsabile della dipendenza dal fumo

Leonardo Petrillo, studente di Pescara, attivo con il suo blog Scienza e Musica dal 2009, invia il suo contributo sulla morfina (concernente la descrizione dal punto di vista chimico, ma anche storico, filosofico e letterario, di uno dei più noti fra gli alcaloidi, ossia la morfina)  in cui descrive utili notizie storiche, come la immissione sul mercato dell" eroina" da parte della Bayer

Paolo Alberto, da sempre chimico per diletto e non per professione, è autore del blog “Chimica sperimentale”, nel quale descrive fra le altre cose le sue esperienze eseguite in home-lab riguardo la chimica sperimentale classica. Per questa edizione del Carnevale invia il contributo su "oleandrina " da oleandro, sulla digitale  e la loro cardiotossicità, in cui ha voluto "giocare" con una pianta velenosa, estraendone il principio attivo e dimostrarne la presenza con opportuni saggi chimici.

Nel blog vi sono altre pagine dedicate all'argomento, basta navigare un po' fra gli articoli, quasi tutti di tipo pratico-sperimentale".

Marco Capponi pubblica sul suo blog un contributo sull’azione biologica degli antrachinoni

e sull’impiego dei derivati dell'antrachinone come catartici

si tratta di un post catartico, su composti vegetali, farmaci catartici e sostanze lassative, e, come dice l’autore: Alla fine mi manderete tutti a... molti sicuramente scriveranno di droghe e sostanze psicotrope, ho preferito chiamare in causa molecole bioattive in luoghi "altri" rispetto al SNC.

Un solo problema: l'assuefazione!!!

Gian Michele Accomasso ha affrontato l'effetto patologico e le ipotesi sulla nocività di certe forme di fibre minerali dell'asbesto, descrivendo una correlazione tra presenza di ferro e ioni ferro e la produzione di radicali  liberi e specie reattive dell'ossigeno, che potrebbero trasformare le cellule da normali a neoplastiche

Post: Crisotilo: l'amianto buono!

Riguardo alle proteine, queste svolgono azione biologica o per un meccanismo stoichiometrico (interagendo con il proprio target in un rapporto 1:1) o perchè sono enzimi, e quindi modificano substrati seguendo una cinetica di reazione dipendente dalla concentrazione di substrati e prodotti. Pensiamo al lisozima delle secrezioni biologiche che agisce degradando il peptidoglicano della parete batterica.

Molti prodotti batterici, funghi velenosi ed il veleno di serpente contengono enzimi che anche in minima quantità hanno effetti nocivi: emolisine, fosfodiesterasi, ADP-ribosio transferasi che modificano pompe di membrana o Fattori della sintesi  proteica: vibrione del colera provoca così diarrea, clostridio botulino provoca neurotossicità, la tossina difterica inibisce le cellule).

Gli enzimi e gli ormoni hanno due tipi di target cellulari, i recettori di membrana e gli effettori intracellulari. Tra questi, di particolare importanza sono gli enzimi a valle ed i fattori di trascrizione.

Una cascata di segnale avviene grazie all’effetto amplificatore di un enzima che catalizza una serie di reazioni in tempi rapidi, supponiamo che 10 enzimi di glicogeno sintetasi kinasi siano fosforilate, questa loro attivazione fa procedere la reazione di sintesi del glicogeno a una velocità di 1000 o più reazioni di catalisi al secondo.

Unità enzimatica (UE): è la quantità di enzima che provoca la trasformazione di 1 µmole di substrato per minuto, a 25°C e in condizioni ottimali.

Per le proteine che interagiscono con un partner in rapporto 1:1, la categoria degli inibitori di proteasi è ben differenziata e varia. La famiglia delle serpine contiene peptidi che bloccano le proteasi seriniche in maniera irreversibile, in un'azione suicida (crmA nei virus del vaiolo bovino e p19 nel baculovirus sono stati usati per studiare il fneomeno della apoptosi). Le piante sono ricche di inibitori di proteasi di tipo Kunitz, da cui la necessità di cuocere i legumi altrimenti bloccherebbero la tripsina dello stomaco. Questo tipo di inibizione è reversibile, di legame stretto, e l'interazione chiave-serratura tra inibitore e sito catalitico della proteasi è temporaneo, secondo una cinetica dipendente  dalla costante K di Michaelis, l'affinità dell'inbitore per l'enzima, e dalla Velocità massima, Vmax propria di ogni proteina.

Diversi ormoni e peptidi secreti agiscono su recettori intracellulari e nucleari, attivando una cascata di segnale. Tra questi, molto importante è la famiglia di recettori nucleari degli ormoni steroidei (estrogeni, progesterone, androgeni, corticosteroidi, mineralcorticoidi, vitamina D, Acido retinoico (RAR, RXR), Ahr o arhyl hydrocarbon Receptor detto anche Recettore della diossina. Tali proteine contengono un dominio di legame con l’ormone che attiva il Nuclear Receptor, un dominio linker ed un dominio di DNA binding, che si lega a specifiche sequenze di basi nucleotidiche “ATGC” sui  promotori di geni che saranno attivati. 

Di Paolo Pascucci un altro post collegato al tema di questa edizione del Carnevale è:

Diossina e nuclear steroid receptors

Molte sostanze bioattive mimetizzano il legame tra ormone e il recettore nucleare, rendendolo attivato in assenza di ormone. Un esempio sono i fitoestrogeni: dall'isoflavone della soia, daizeina, per catabolismo microbico si produce l'equolo, che può legarsi a recettori degli estrogeni, o sulla membrana citoplasmatica, o quelli di tipo nucleare. Un meccanismo simile porebbe avvenire anche per il licopene, il polifenolo e principio attivo del pomodoro tanto importante nella dieta mediterranea. 

Franco Rosso, Presidente dell’Associazione Culturale Chimicare, la prima organizzazione senza finalità di lucro, nel panorama nazionale, espressamente dedicata alla divulgazione ed alla promozione della cultura di base della Chimica, che cura e ospita il network dei blog collegati al Carnevale della Chimica, invia il contributo Ormoni animali e vegetali: 

 Si tratta di una panoramica sull'argomento degli ormoni, fra animali e vegetali: cosa sono, cosa fanno, come sono composti chimicamente e come vengono sfruttati non solo con finalità mediche ma anche tecnologiche.

Sempre in linea con l'argomento di questo Carnevale, ed in modo specifico con il tema degli ormoni vegetali (in particolare le auxine), ci segnala il post sul fototropismo

Sui polifenoli, Gabriele Giordano, studente appassionato di astronomia e fisica, già collaboratore di precedenti edizioni dei due carnevali di fisica e chimica, sul blog EraFutura,  invia il suo contributo:

I superpoteri del tè.

Gli antociani hanno proprietà antiossidanti, ma i meccanismi specifici su proteine bersaglio non si conoscono.

Per il già citato resveratrolo, diversi fattori sono da tenere presenti per individuare l'azione biologica. Il resveratrolo  è stato collegato come ipotesi all'aumento di attività delle Sirtuine, gli enzimi antiinvecchiamento convolti nella regolazione epigenetica (deacetilazione di istoni e altre proteine). Si tratta di un composto poco solubile, che è biodisponibile solo in presenza di alcool. Il paradosso francese è che nonostante il grande consumo di vino, i francesi godano di ottima salute e arrivino ad età ragguardevoli. Il resveratrolo potrebbe anche essere metabolizzato in altri prodotti, durante il transito intestinale da parte della flora batterica. 

Questo è il meccanismo dimostrato per l'acido ellagico, presente in noci, melograno e bacche rosse, che viene trasformato in urolitina solo negli individui con certi microbi intestinali (microbiota specifico). L'urolitina A inibisce la sintesi di cicloossigenasi, l'enzima che produce prostaglandine. 

Un esempio diffuso e molto noto di sostanza bioattiva è dato dall'acido salicilico.

Le proprietà curative dell'acido salicilico erano note fin dall'antichità, e la sostanza veniva estratta dalla corteccia del salice, da cui deriva il nome. Nella pianta, agisce da ormone vegetale, inducendo la sintesi di proteine di resistenza alle infezioni fungine, e la risposta di resistenza sistemica acquisita.

In medicina, si usa il derivato acetilato (vedere il post di Leonardo Petrillo per l'acetilazione industriale), l’acido acetilsalicilico, come febbrifugo, antinfiammatorio, antidolorifico, grazie all'inibizione degli enzimi  Cicloossigenasi COX1 e COX2 (le prostagliandine sono molecole infiammatorie che stimolano l’attivazione di globuli bianchi, neutrofili ed eosinofili) irreversibilmente acetilati ad opera di una reazione coinvolgente l'acido acetilsalicilico. Aggiunto nella salsa di pomodoro, abbassa il pH e agisce da agente antibotulinico e da conservante.

Ouabaina e topo africano

L'Ouabaina (g-strofantina) è contenuta nei semi maturi della pianta africana Strophanthus gratus e nella corteccia di Acokanthera ouabaio e A. schimperi.

Queste piante contengono un pericoloso veleno, la ouabaina, nota anche come strofantina G. Notato per la prima volta in Acokanthera ouabaio, da cui il nome, è un glicoside cardioattivo con azioni farmacologiche analoghe a quelle della digossina ma più rapide e di minore durata. Viene usata nel trattamento dell'arresto cardiaco congestizio.

Lophiomys imhausi, il ratto africano crestato, somiglia ad un istrice. Avvelena i suoi assalitori cospargendo gli aculei di saliva dopo aver masticato la corteccia di tali piante.

 E' un caso unico, di apprendimento ed adattamento, superiore all'uso che fa il porcospino di cospargere gli aculei con essudato di rospo per renderli più dolorosi.

L'ouabaina è anche usata dagli indigeni dell'Africa orientale per avvelenare le frecce nella caccia all'elefante.

Come e dove agisce: ad alte concentrazioni inibisce la pompa del sodio, la ATPasi Na+/K+ dipendente che permette la generazione del gradiente elettrochimico alla base del potenziale d'azione nelle cellule eccitabili. La tartaruga delle Galapagos è insesibile all'ouabaina, forse per mutazioni nella pompa del sodio.

Effetto secondario è la modificazione del trasporto del calcio, da cui dipende un effetto inotropo che rafforza la contrazione del muscolo cardiaco.

L'oubaina in concentrazioni nanomolari, (tramite vie di segnale che la digossina non riproduce)  ha un effetto benefico, e si è scoperto che viene sintetizzata nell'uomo e nei mammiferi da cellule della ghiandola adrenale. Si usa nel trattamento della fibrillazione atriale.

 Nella generazione e trasmissione del potenziale d'azione, i canali veloci del sodio collegati al voltaggio sono di due tipi, quelli sensibili alla tetrodotossina e quelli resistenti. La tossina è prodotta da microrganismi che convivono in pesci (Fugu), stelle di mare, e alghe (saxitossina). 

 Fugu è il nome giapponese del puffer fish o pesce porcospino, letteralmente maiale di fiume. 

E' una prelibatezza per i giapponesi, ma si dice che il gusto sia simile al pollo. Per cucinarlo occorre eliminare le interiora, l'ovario, la pelle ed il fegato, facendo attenzione a non contaminare il coltello. Il pesce ne è immune, per una mutazione di un amminoacido nel sito di legame con il canale del sodio.

Un  minimo  contenuto di tossina ha come effetto la paralisi dei muscoli respiratori e l'asfissia, in piena coscienza del soggetto. Si dice che venga usato in traccia minima per stimolare l'intorbidimento deil sensi  e delle labbra nei commensali.

L'uso medico di questa tossina è previsto in certe aritmie cardiache,  nel trattamento del dolore in pazienti terminali, e nella terapia di astinenza da eroina.

Con queste quattro chiacchiere su alcuni noti composti bioattivi, ed i preziosi dieci contributi dai blog scientifici amici, si chiude il Carnevale della Chimica di Agosto. A voi il tedoforo per la prossima edizione, proponete la vostra candidatura  sul sito web: www.CarnevaledellaChimica.org