Scienza leggera: medicine e ormeggio molecolare

1
Share on Facebook95Tweet about this on TwitterShare on Google+0Share on LinkedIn0Email this to someone

Una sera d’estate inoltrata del 1897, un giovane chimico tedesco, di nome Felix Hoffmann, sta realizzando una reazione chimica in un laboratorio della impresa farmaceutica Bayer. Spera che il prodotto servirà ad alleviare i dolori reumatici del padre senza causargli i sempre più sgradevoli fastidi gastrici che accompagnano il rimedio che sta assumendo da anni.

Felix Hoffmann (1868 - 1946)

Felix Hoffmann (1868 – 1946)

Quando termina il lavoro, scrive sul suo quaderno di laboratorio che il nuovo composto non presenta proprietà corrosive ed è quindi assai promettente. Felix torna a casa felice con una buona notizia da dare al padre: forse potrà presto prendere una medicina per l’artrite e i suoi bruciori di stomaco spariranno. È il 10 agosto 1897 e Felix Hoffmann ha appena sintetizzato la medicina probabilmente più famosa ed utilizzata di ogni tempo: l’aspirina.

Da secoli era conosciuto il potere antidolorifico e antinfiammatorio delle foglie e della corteccia di alcune piante, tra cui, soprattutto il salice. Lo stesso Ippocrate, considerato il padre della medicina occidentale, prescriveva l’assunzione di una linfa derivata dalla corteccia di quell’albero per curare febbre e dolori generici. I rimedi derivanti dal salice funzionavano (e funzionano) perché contengono una molecola chiamata acido salicilico che ha la proprietà di alleviare il dolore, ma che causa anche gastriti e ulcere.

aspCiò che Hoffmann fece quel giorno d’agosto fu modificare leggermente l’acido salicilico rimpiazzando l’H dell’OH sulla destra con un gruppo un po’ più grande, detto acetile. Il risultato è l’acido acetilsalicilico, ossia il nome chimico dell’aspirina. Il cambio appare poca cosa, ma è sufficiente a far sì che la nuova molecola mantenga gli effetti desiderati e non quelli indesiderati. Lo stesso nome “aspirina” è composto dal prefisso “a-” (per il gruppo acetile), da “-spir-” (dal fiore spirea ulnari, una pianta da cui si ricava l’acido salicilico) e dal suffisso “-ina” (generalmente usato per i farmaci all’epoca). Quella “a” iniziale è molto significativa perché indica la modifica introdotta dall’uomo in un composto naturale, che è capace di trasformare quest’ultimo in qualcosa di migliore. In altre parole quella piccola “a” ci dice che l’uomo, seppure spesso ispirandosi a composti naturali, è in grado di produrre farmaci che ci curano meglio di quanto sappia fare la Natura: la sintesi dell’aspirina fu uno dei primi passi dell’industria farmaceutica.

Detto tra parentesi, come accade per molte scoperte o invenzioni epocali, esistono controversie sulla reale paternità dell’aspirina (viene attribuita anche o solo anche ad un collega di Hoffmann, anche se la Bayer considera lui l’autore della scoperta), ma questo ha poca importanza per la nostra storia. Sempre detto tra parentesi, 11 giorni dopo, il 21 agosto 1897, evidentemente avendoci preso gusto, Hoffmann introdusse un gruppo acile anche in un altro composto naturale, sintetizzando per la prima volta l’eroina dalla morfina. Anche l’eroina fu immediatamente commercializzata diventando uno dei farmaci più venduti al mondo per le sue proprietà sedanti, salvo essere poi ritirata dal mercato, per i suoi effetti collaterali, qualche decennio dopo.

aspirin.f1

Già nel 1918, la Bayer perse il diritto ad utilizzare il marchio “Aspirina” in molte nazioni, tra cui non c’è l’Italia dove il nome “Aspirina” è ancora un marchio registrato

Tuttavia, nonostante il successo secolare dell’acido acetilsalicilico, Hoffmann aveva una idea assai poco chiara della sua struttura e assolutamente nulla riguardo al suo meccanismo d’azione. Così come tutti i chimici dell’epoca, il suo lavoro di laboratorio era basato sulla sua e altrui esperienza (riassunta in “ricette”), sulla capacità di intuire ed immaginare ciò che faceva e sull’abilità di manipolare i composti in laboratorio. Lo stesso concetto di atomo non era totalmente accettato all’epoca. In altre parole, Hoffmann sapeva che una sostanza estratta da alcune piante aveva determinati effetti; bisognava cambiarla un po’ nella speranza che ne mantenesse alcuni e perdesse altri. Come? Un po’ a caso o per analogia con altri esperimenti effettuati in passato. Bisognerà attendere oltre 70 anni perché uno scienziato inglese (John Vane) comprenda il meccanismo attraverso cui l’aspirina agisce per alleviare il dolore ed abbassare la febbre e per questo riceverà il Nobel per la Medicina nel 1982.

E allora, come funziona l’aspirina? L’aspirina, così come la maggior parte dei farmaci, funziona perché blocca l’attività di un enzima. Gli enzimi sono molecole che accelerano la velocità della stragrande maggioranza delle reazioni chimiche che avvengono nel nostro organismo e che senza di essi sarebbero troppo lente per mantenerci vivi. Tra questi processi c’è anche l’infiammazione, ossia un complesso meccanismo di difesa attivato dal nostro organismo contro batteri, virus e, in generale, agenti che ci minacciano. L’infiammazione è tipicamente accompagnata da gonfiore, arrossamento, calore e dolore: la febbre ne è un tipico esempio dato che serve – con l’aumento di temperatura corporea – ad impedire la replicazione dei microorganismi che ci stanno infettando. Dunque, in molti casi l’infiammazione è necessaria e benefica, mentre in altri, come per esempio l’artrite reumatoide del padre di Hoffmann o altre malattie tra cui – secondo alcune teorie – anche l’Alzheimer, si scatena quando non dovrebbe, ossia senza che esista una minaccia, causando quindi danni inutili all’organismo. In ogni caso, benefica o attivata senza ragione, l’infiammazione porta con sé effetti indesiderati: quando abbiamo la febbre stiamo male e ci auguriamo che passi in fretta…e ci prendiamo un’aspirina! L’aspirina, infatti, inibisce un enzima (la cicloossigenasi) coinvolto nel processo infiammatorio e di trasmissione del dolore: se quell’enzima si blocca, l’infiammazione rallenta e sentiamo meno dolore.

Il corretto funzionamento di un enzima che accelera, in questo caso, la velocità di una reazione chimica tra due sostanze.

Il corretto funzionamento di un enzima che accelera, in questo caso, la velocità di una reazione chimica tra due sostanze.

Ma come si fa a bloccare un enzima? In generale, possiamo immaginarci gli enzimi come gomitoli apparentemente caotici formati da migliaia di atomi. In questo groviglio esiste una tasca, un buco (chiamato “sito attivo”) in grado di accogliere la sostanza (o le sostanze) che deve reagire, detta reagente o anche substrato. Una volta che il reagente è stato “accolto” dall’enzima, avviene la reazione chimica e si ottiene un prodotto che lascia l’enzima, che è quindi di nuovo pronto ad accogliere un’altra molecola.

La specificità tra enzima e substrato è altissima: l’enzima è disposto ad accogliere nel suo sito attivo solo una particolare sostanza, fatta in un particolare modo, con quella particolare forma. L’enzima sa riconoscere benissimo il suo substrato, “rifiutandosi” di far entrare altre sostanze (o quasi…): è come se volessimo avvitare una lampadina dal passo troppo grande o piccolo rispetto al portalampada oppure infilare una spina americana nel buco per una spina europea oppure aprire una porta con la chiave sbagliata.

Ll modello "chiave-serratura" (seppure non unico) è in grado di spiegare efficacemente l'attività enzimatica,

Ll modello “chiave-serratura” (seppure non unico) è in grado di spiegare efficacemente l’attività enzimatica,

Concentriamoci sull’esempio della chiave e della serratura. Quando infiliamo la chiave giusta nella serratura, la apriamo, poi togliamo la chiave e la serratura torna ad essere disponibile per accogliere nuovamente la chiave. La chiave è la molecola (o le molecole) su cui agisce l’enzima che rappresenta la serratura. Se tutto funziona a dovere, l’enzima fa il suo lavoro e la serratura si apre. Se vogliamo bloccare l’enzima, ossia se vogliamo che la serratura non si apra, abbiamo due possibilità: o modificare la serratura in modo che la chiave non riesca più ad entrarci oppure utilizzare una chiave molto simile a quella giusta in modo che s’infili nella serratura e rimanga lì bloccata, impedendo perciò che la chiave corretta possa entrarci. L’aspirina agisce nel primo modo: modifica irreversibilmente l’enzima (la serratura) trasferendogli proprio quel gruppo acile che Hoffmann “appiccicò” al composto naturale da cui partì. Il risultato chimico è che l’enzima non è più in grado di fare il proprio lavoro, ossia – nella fattispecie – velocizzare il processo infiammatorio e trasferire al cervello il segnale del dolore. Il risultato macroscopico è che ci si abbassa la febbre e sentiamo meno dolore.

INHIn molti altri casi, invece, i farmaci sono piccole molecole (chiamate inibitori enzimatici) molto simili a quelle che normalmente vanno ad occupare il sito attivo dell’enzima. Grazie a questa grande somiglianza, sono capaci di “ingannare” l’enzima entrando nel suo sito attivo e rimanendo lì incastrate, impedendo quindi alla molecola sulla quale l’enzima dovrebbe agire di fare altrettanto. Anche gli antibiotici funzionano così, inibendo enzimi fondamentali per la vita dei batteri che stanno causandoci l’infezione: se blocchiamo questi enzimi, i batteri muoiono o non riescono più a riprodursi e noi guariamo.

E come facciamo allora a costruire queste “molecole travestite”? Come fece Hoffmann che lavorava un po’ “a naso”? Fortunatamente no. Nell’ultimo secolo, la chimica, come e forse più di altre scienze, ha abbandonato sempre più il campo dell’empirismo e delle “ricette” per diventare una disciplina assai più rigorosa e completa. In particolare, oggi siamo in grado di conoscere non solo quali enzimi sono coinvolti in molti processi biochimici che avvengono nel nostro organismo e che sono legati all’insorgere di malattie (come quelle causate da un eccesso di infiammazione), ma anche la loro struttura e in particolare quella del loro sito attivo e quella della molecola che normalmente lo va ad occupare. In altre parole conosciamo la forma della serratura che dobbiamo bloccare e quella della chiave che normalmente ci entra; quello che dobbiamo fare è costruire una chiave che sia capace di entrare nella serratura e anche di rimanerci incastrata dentro.

topoOltre a strategie sperimentali, da qualche anno, il processo di ricerca di un farmaco si affida anche alla chimica computazionale, ossia a metodi in grado di simulare le molecole e le loro interazioni chimiche. Semplificando un po’, invece di realizzare un esperimento in una provetta, lo si simula al computer con il vantaggio di poter “vedere” ed analizzare in dettaglio come e perché le molecole e gli atomi interagiscono tra loro. La tecnica computazionale più utilizzata nel campo della ricerca di nuovi farmaci è il “docking” molecolare, letteralmente: ormeggio molecolare. Come lascia intendere il nome, lo scopo del “docking” è individuare molecole che siano capaci di “ormeggiare” nel sito attivo dell’enzima ossia infilarsici dentro.

E come funziona l’ormeggio molecolare? Per prima cosa si dà la struttura dell’enzima al programma, il quale passerà in rassegna migliaia e migliaia di molecole (prese da database, alcuni dei quali disponibili gratuitamente in rete) ordinandole in una “classifica” secondo la loro affinità con il sito attivo. È come, perciò, se avessimo a disposizione una quantità enorme di chiavi e provassimo ad infilarle una ad una in una serratura, assegnando un punteggio più alto a quelle che ci entrano e ci rimangono bloccate. Le molecole, che secondo il programma, hanno maggiore affinità con quel particolare enzima coinvolto in una particolare malattia sono dei potenziali farmaci e sono quindi provate in vitro, ossia in un esperimento “reale” che è il primo passo del lungo percorso che porta una molecola a diventare un vero e proprio farmaco capace di curare la febbre, il mal di testa, il cancro e – speriamo presto – anche l’Alzheimer.

Il "target" è l'enzima, il "ligand" è la molecola che si vuole provare come potenziale inibitore che deve quindi "ormeggiarsi" nel sito attivo dell'enzima stesso

Il “target” è l’enzima, il “ligand” è la molecola che si vuole provare come potenziale inibitore che deve quindi “ormeggiarsi” nel sito attivo dell’enzima stesso

Un’altra strategia del docking molecolare prevede un passo iniziale aggiuntivo. Dal momento che conosciamo la struttura della molecola su cui agisce l’enzima, possiamo dedurre le caratteristiche chimiche che la rendono così affine ad esso e quindi cercare un inibitore che le possegga, perché sono queste caratteristiche che fanno sì che possa “ingannare” l’enzima. Se cioè, sappiamo che la chiave che apre la serratura non può essere più lunga di 5 cm, è inutile prendere in considerazione chiavi di 6 o più cm: sarebbe una inutile perdita di tempo. Di conseguenza, si può dare in pasto al programma un database a cui è stato applicato un filtro che fa sì che solo le molecole che posseggano certe caratteristiche chimiche (certi gruppi chimici) siano valutate. Sia per questo motivo, che in generale, il/la chimico/a computazionale deve comunque analizzare e preparare i calcoli utilizzando le proprie conoscenze ed esperienza, senza semplicemente spingere un bottone ed attendere.

In definitiva, mentre utilizzando soli metodi sperimentali e quindi realizzando “veramente” gli esperimenti, si possono sintetizzare e provare sull’enzima relativamente pochi inibitori (perché bisogna prima sintetizzarli), con la chimica computazionale, il numero di molecole che si possono esaminare, in un determinato tempo, è enormemente più grande. I due approcci sono complementari e la migliore strategia è che chimici computazionali e sperimentali si confrontino continuamente, procedendo uniti.

Fortunatamente quindi, rispetto a quella sera d’estate di oltre 100 anni fa, gli strumenti a nostra disposizione per sconfiggere le malattie sono migliori e in maggior numero, ma una cosa è rimasta assolutamente uguale: il fascino dell’esplorazione scientifica.

Bibliografia essenziale:

http://www.educational.rai.it/corsiformazione/multimediascuola/esperienze/mito_macchina_movimento/ceccano/terzaclasse/ASPIRINA.htm

https://it.wikipedia.org/wiki/Acido_acetilsalicilico

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1119266/

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_aspirin

https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanism_of_action_of_aspirin

http://www.my-personaltrainer.it/salute/fans-meccanismo-azione.html

Metti "Mi piace" alla nostra pagina Facebook e ricevi tutti gli aggiornamenti de L'Undici: clicca qui!
Share on Facebook95Tweet about this on TwitterShare on Google+0Share on LinkedIn0Email this to someone

Cosa ne è stato scritto

  1. Cristina

    Bel lavoro! Scritto in maniera chiara e comprensibile, come non tutti sanno fare. Accanto al modello chiave-serratura c’è quello dell’adattamento indotto, decisamente più intrigante. Il biologo molecolare che vive in me sta cercando alcune risposte al meccanismo di azione degli enzimi dalla biologia quantistica, e alcune già ci sono. Una buona divulgazione di questi argomenti è fatta da Jim Al-Khalili, lascio il link per i curiosi.
    https://www.ted.com/talks/jim_al_khalili_how_quantum_biology_might_explain_life_s_biggest_questions?language=it
    Cristina

    Rispondi

Perché non lasci qualcosa di scritto?