BIOMOLECOLE
Molecole essenziali per la vita prodotte dal metabolismo
(o interagenti con esso) degli organismi viventi
Piccole dimensioni
Grandi Dimensioni
(P.M. fino a 1000-2000)
(Macromolecole)
Metaboliti primari
Oligonucleotidi, DNA, RNA
Metaboliti secondari
Polipeptidi, Proteine
Oligosaccaridi
Metaboliti primari
Metaboliti Secondari
Macromolecole: DNA e RNA
B-DNA
Macromolecole: Polipeptidi e Proteine
Polipeptide
Emoglobina
Macromolecole: Oligosaccaridi
Perché si ricercano sempre nuove e biomolecole?
Essenzialmente per scopi:
1. Farmacologico-Terapeutico
2. Analitico-Diagnostico
3. Composti modello (per la
comprensione dei meccanismi dei
processi biologici o delle strutture di
altre biomolecole)
L’individuazione di Biomolecole “utili” può avvenire per:
1. “Random Screen” di prodotti naturali
2. “Screen” di miscele sintetiche di molecole (da
sintesi combinatoriale
3. Progettazione razionale
4. Caso fortuito
Random Screening
Questa tecnica consiste semplicemente nel controllare con test opportuni
l'attività' biologica di tutti i prodotti che capitano tra le mani,
indipendentemente da ogni considerazione razionale. I prodotti naturali, ad
esempio, si si sono sempre rivelati una fonte importantissima di molecole
dotate di attività biologica.
Dall'analisi dei risultati ottenuti dallo screening di circa 400.000 prodotti
chimici si può ricavare che la probabilita' di trovare un composto dotato di
interessanti proprietà farmacologiche (lead) e' circa di 1:10.000. Solo 1 lead
su 4 porta alla successiva produzione di un prodotto commercializzabile.
TASSOLO (Lead compound)
Il tasso e' una pianta molto diffusa anche nei nostri
giardini: non perde le foglie, produce delle belle
bacche rosse. L'arco di Robin Hood era fatto di legno
di tasso, come tutti gli archi di qualità nell'Inghilterra
medioevale.
Nel 1962 l'estratto da un un campione di corteccia di Taxus brevifolia
rivelò proprietà citotossiche. Fu identificato il principio attivo (il
taxolo).
Metodi razionali: i bersagli per nuovi farmaci.
Oggi non siamo costretti a sperare solo nella fortuna:
conosciamo metodi che permettono il disegno razionale di
molecole ad attività biologica.
Prendono origine da conoscenze fisiologiche, fisiopatologiche,
biochimiche, farmacologiche, chimiche e quindi hanno un ben
preciso punto di partenza dal quale muoversi per progettare
molecole che si ritengono in grado di risolvere il problema
terapeutico o di dare ulteriori informazioni sul
funzionamento di un sistema biologico, nel nostro caso un
recettore.
Tutti i processi metabolici che avvengono in un
organismo vivente sono controllati dall'attività di enzimi.
Se in qualche modo blocchiamo l'attività di un enzima,
otteniamo due risultati:
• aumento della concentrazione del substrato naturale
dell'enzima e
• diminuzione della concentrazione del prodotto della
biotrasformazione.
Enzimi ed Inibitori
I processi biologici possono quindi essere controllati o dalla
modulazione dell'attività' di un enzima o dall'interazione tra una
opportuna molecola ed il suo recettore
Un inibitore enzimatico impedisce all'enzima bersaglio di catalizzare
la sua reazione specifica. Un esempio tipico: la penicillina ed i suoi
derivati agiscono in questo modo. I batteri sono dotati di una parete
cellulare rigida formata da catene di un polimero lineare (costituito da
unità alternate di N-acetilglucosammina e di acido N-acetilmuramico
unite da legami glicosidici) legate tra di loro da brevi catene
peptidiche. La penicillina inibisce in maniera irreversibile L’enzima
che catalizza questo cross-linking; la parete cellulare rigida non può
più formarsi, e la pressione interna fa letteralmente "scoppiare" i
batteri.
Le cellule umane non sono dotate di parete cellulare: la peptidoglicano
transpeptidasi non e' presente nel nostro organismo e la penicillina non
interferisce con altri processi metabolici.
Farmaci come Agonisti ed Antagonisti
Un processo biologico coordinato da un sistema messaggero
chimico - recettore può invece essere modulato con l'impiego
di agonisti o antagonisti.
•Un agonista possiede la struttura adatta ad interagire con un
recettore mimando spesso con più efficacia l'azione del
composto che e' in natura coinvolto nel processo biologico;
•gli antagonisti si legano al recettore provocando una catena
di eventi che non conducono all'azione biologica
normalmente innescata dal recettore stesso dopo la
complessazione con la molecola segnale.
Esempio….
Il progesterone innesca la sua azione biologica legandosi
ad una specifica proteina recettoriale. Il complesso
ormone:recettore che si forma migra dal citoplasma al
nucleo cellulare dove interagisce con il DNA modulando
l'espressione di alcuni geni
medrossiprogesterone acetato
noretindrone
Il recettore puo' legare anche altre molecole: ad esempio,
medrossiprogesterone acetato e noretindrone. Il complesso e' in
questi casi addirittura piu' stabile di quello che si forma con
l'ormone naturale ed esplica qualitativamente la stessa azione
biologica. Medrossiprogesterone acetato e noretindrone sono
agonisti del progesterone
RU-86
Anche l'anti-ormone RU-86 si lega al recettore per il
progesterone. La sua struttura spaziale non e' però quella
corretta; il complesso non e' in grado di attivare i processi che
favoriscono l'impianto nell'utero dell'uovo fecondato.
RU486 e' un antagonista del progesterone; la
somministrazione provoca l'interruzione della gravidanza
sua
La scoperta casuale: PENICILLINA
Molte scoperte sono state fatte "per caso", ma il caso non basta. Si
deve essere in grado di riconoscere il diamante trovato quando non
lo si cerca.
Nel luglio del 1928 Alexander Fleming parti' per le vacanze
lasciando sul banco di lavoro una coltura di Staphylococcus aureus.
Tornando a fine agosto, trovò la cultura inquinata da una muffa; un
rapido controllo dimostrò che i batteri erano “lisati”
Cosa accadde…
Fleming riconobbe immediatamente l'importanza della sua
osservazione ma non fu più in grado di riprodurre il fenomeno
originale, probabilmente avvenuto a causa di particolari
condizioni ambientali (fu una estate molto fredda, i batteri si
sviluppavano lentamente, il laboratorio al piano di sotto faceva
ricerche sulle muffe).
Solo nel 1939 Ernst Chain, Howard Florey and Edward
Abraham a Oxford furono in grado di produrre penicillina
in una forma utilizzabile per la sperimentazione clinica.
Nella Progettazione razionale rientrano sempre più tutte le
tecniche di indagine strutturale:
1.
conoscere la conformazione del sito enzimatico-proteico
responsabile delle interazioni che si vogliono studiarerealizzare
2.
Su queste informazioni progettare la conformazione adatta
alla molecola farmaco
Questa attività di ricerca viene definita “DRUG DESIGN”
