Trasportatori ABC - Garbi 3 Aprile PDF

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appunti biologia applicata...

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TRASPORTATORI ABC I trasportatori ABC appartengono alle pompe di membrana, ma hanno una serie di peculiarità che le vedono oggetto di studio separato dalle altre proteine che abbiamo visto finora. Da un punto di vista funzionale, anche queste pompe hanno bisogno di legare l’ATP, infatti la sigla ABC sta proprio per ATP Binding Cassette, ovvero posseggono un dominio che lega appunto l’ATP. Hanno due elementi trans membrana e altre due proteine estrinseche, che sono presenti sulla membrana sul versante citosolico, ma non sono incluse nel doppio strato lipidico, per un totale di quattro domini. I legami covalenti consentono di formare dei dimeri dove queste due subunità si ripiegano in modo stabile e funzionante alle altre due, e solo in presenza di ATP si può formare il complesso funzionale. La parte trans membrana è costituita da più domini multipli che attraversano la membrana, ne sono sei per l’esattezza, e sono detti MSD; gli NBD sono i domini estrinseci che legano le molecole di ATP, e al centro c’è un altro dominio della molecola che è indicato come Dominio di Regolazione. Quindi l’attività di questo trasportatore non solo dipende dall’idrolisi dell’ATP, ma anche da altre molecole che determinano la regolazione funzionale: per esempio, ci sono delle chinasi, come la chinasi A, che fosforila il dominio di regolazione rendendo il complesso funzionale. Questi trasportatori, a differenza delle pompe descritte finora, sono in grado di trasportare una cospicua quantità di diversi componenti molecolari. Sono state anche trovate analogie coi trasportatori ABC presenti nei batter, in quanto anche essi sono in grado di trasportare più tipi di molecole. Ma quali sono le molecole che possono essere trasportate?  Ioni;  Lipidi;  Steroli;  Polipeptidi;  Farmaci; Come si può notare c’è una grande variabilità anche in termini di grandezze delle molecole. Possono funzionare da esportatori e da importatori, e anche questa è una caratteristica che le differenzia dalle altre pompe che lavorano solo in una direzione, questi trasportatori invece in qualche caso trasportano dentro la cellula e in altri casi agiscono nel senso opposto. Quindi di volta in volta bisogna andare ad identificare il verso in cui opera questo trasportatore. Inoltre, sono presenti sulle membrane interne della cellula, in particolare nel reticolo endoplasmatico rugoso. Nell’uomo sono noti 48 differenti tipi di trasportatori ABC, in cui è prevalente la funzione di esportatori. Nei batteri ce ne sono addirittura di più, circa 80. Dal numero di questi trasportatori ne deriva l’ampio coinvolgimento che hanno in varie tipologie di trasporti che avvengono sulla superficie cellulare. RESISTENZA MULTIPLA AI FARMACI Ho tenuto a specificare i farmaci perché adesso vedremo quale relazione esiste tra questi trasportatori e il fatto che le nostre cellule sono in grado di regolare la ritenzione di farmaci: uno dei motivi per cui questi trasportatori sono molto studiati è che essi sono alla base di un fenomeno che è noto come Resistenza Multipla ai Farmaci e che è osservabile sperimentalmente dal fatto che molte cellule, dopo aver assunto dei farmaci, li espellono utilizzando la presenza di questi trasportatori ABC. Ciò non vale per tutti i farmaci, perché altrimenti non ci sarebbe la possibilità di fare terapia, ma alcuni farmaci, in base alle loro caratteristiche molecolari, vengono riconosciuti da questi trasportatori ed espulsi dalla cellula. Il motivo per cui questo processo è particolarmente studiato è che molti tumori iperscrivono questa proteina aumentando la capacità delle cellule tumorali di espellere i farmaci. Quindi la terapia farmacologica contro i tumori è spesso molto difficile proprio per il fatto che molti tumori assumano il farmaco, ma poi attraverso i trasportatori ABC lo eliminano. La prima conseguenza a questo fenomeno è che non c’è un effetto farmacologico; la seconda conseguenza è che con il passare del tempo nel tumore si possono selezionare delle cellule resistenti al farmaco, perché inizialmente il tumore è abbastanza eterogeneo dal punto di vista del comportamento cellulare, il che ci porta a pensare che è possibile che ci siano cellule che sono sensibili al farmaco ed altre che risultano più resistenti. Se però nel tumore ci sono queste cellule che iperscrivono il trasportatore, allora queste tenderanno a diventare prevalenti. Via via si avrà un tumore che, selezionando

progressivamente queste cellule prevalenti e sempre più resistenti, alla fine sarà praticamente insensibile al farmaco. Quindi bisogna cambiare farmaco e bisogna capire perché quello precedente è stato espulso dalla cellula, ed ecco che la chemioterapia del tumore non è affatto semplice. Queste pompe sono cominciate ad apparire quando si è iniziati ad usare i farmaci? È ovvio che no. Quindi qual è l’interpretazione del fenomeno? Queste pompe riconoscono le caratteristiche molecolari del farmaco, non il fatto che la sostanza assunta sia un farmaco. Nessuna molecola riconosce che quella determinata sostanza è un farmaco, ma ne riconosce le caratteristiche molecolari per cui fa rientrare quel farmaco assunto in una determinata categoria di sostanze che vanno espulse. Da un punto di vista evoluzionistico, visto che queste pompe sono presenti anche nei batteri e che questo meccanismo di trasporto è abbastanza variegato dal punto di vista molecolare, risulta che queste siano presenti anche prima dell’utilizzo dei farmaci. Resistenza multipla significa che non v’è resistenza nei confronti di un solo farmaco, ma spesso i farmaci condividono le caratteristiche molecolari, e alla lunga questo spiega perché i tumori sviluppano una resistenza a più farmaci. CFTR E FIBROSI CISTICA L’altro motivo per cui questi trasportatori sono molto studiati è che esiste un trasportatore di membrana che in realtà un canale per il cloro che strutturalmente assomiglia ai trasportatori ABC. Questo canale per il cloro si chiama CFTR ed è il regolatore della conduttanza trans membrana della fibrosi cistica. CFTR è collegato alla fibrosi cistica perché è causata proprio dalla mutazione del gene che esprime CFTR, quindi i soggetti affetti da fibrosi cistica sono pazienti che presentano anomalie nel trasporto del cloro, in particolare nelle cellule epiteliali, ma che hanno gravi ripercussioni anche a livello di numerosi altri tessuti, perché tutti gli epiteli che esprimono CFTR subiscono dei danni, in particolare il pancreas. Il termine fibrosi cistica, infatti, deriva dall’osservazione che inizialmente fu fatta proprio sul pancreas e sui suoi tessuti, che presentavano una involuzione dell’epitelio che degenera ed è sostituito da materiale fibroso che rende il pancreas non funzionante. Il termine “cistica” invece indica la trasformazione cistica dell’epitelio, caratterizzato quindi da numerose cisti, che sono state il primo riscontro delle analisi tissutali e morfologiche fatte all’inizio degli studi clinici di questa malattia. Questo canale del cloro è un trasportatore ABC, si trova in diversi sistemi dell’organismo, nelle ghiandole esocrine, in primis il pancreas, nelle vie respiratorie, nei bronchi, bronchioli e nei polmoni e nell’epitelio intestinale. Quali sono le conseguenze del malfunzionamento del canale del cloro? C’è una fuoriuscita non regolata di cloro da parte delle cellule, e il cloro, che è negativo, trascina con sé il sodio, o il potassio, e questo determina una forte concentrazione di sale nel liquido extra cellulare a ridosso della membrana plasmatica, così per effetto osmotico l’acqua andrà verso la stessa direzione del sale (cloruro di sodio o cloruro di potassio). Il problema è che dire che l’acqua segue il sodio e il cloro che vanno al di fuori della cellula è una semplificazione perché è stato dimostrato che il trasporto del cloro può essere regolato in entrambe le direzioni, a seconda del tessuto, per esempio a livello dell’epidermide sodio e cloro, seguiti dall’acqua, vengono secreti sottoforma di sudore salato. Quindi quando si faceva diagnosi di fibrosi cistica si faceva il cosiddetto “Test del sudore”, dove si andava a vedere la concentrazione di cloruro di sodio nel campione di sudore raccolto. In altri tessuti invece, come nel pancreas, l’acqua non va fuori dalla cellula, ma viene trattenuta al suo interno. Il pancreas produce del secreto pancreatico che contiene gli enzimi digestivi che attraverso il dotto pancreatico giungono al duodeno. Nel caso del pancreas, invece di avere una diluizione del secreto pancreatico, si ha una concentrazione dello stesso, perché l’acqua viene richiamata dentro le cellule perché il cloro, anziché essere spostato fuori, è spostato dentro. Quali sono le conseguenze? Il succo pancreatico, che normalmente è liquido, si concentra moltissimo perché l’acqua lascia il dotto pancreatico e quindi ad un certo punto non scorre più niente e non arriva niente nel duodeno. Ed ecco che questi soggetti hanno enormi problemi nella digestione, perché non arrivano più gli enzimi pancreatici attraverso il dotto pancreatico. La stessa cosa accade a livello dei bronchi: il muco dei polmoni si raddensa, formando dei tappi nei bronchi, che tendono ad infettarsi facilmente, quindi ci sono bambini che hanno un’alta predisposizione a malattie che riguardano l’apparato respiratorio. Quindi da un punto di vista molecolare, sappiamo che la fibrosi cistica è

una conseguenza della mutazione del gene che codifica per CFTR, ma ciò che determina la direzione del trasporto del cloro, a mio giudizio, non è alquanto chiaro. Si conoscono più di 1500 mutazioni che riguardano questo gene, tenendo conto che la fibrosi cistica non è una malattia mortale, è abbastanza frequente venire in contatto con diversi soggetti affetti da diversi tipi di mutazioni. Detto in altri termini, se fosse una malattia letale, si avrebbe molta più difficoltà a determinare i geni che hanno causato la malattia. Siccome invece i bambini nascono, siamo in grado di fare diagnosi prenatale e anche dopo, ed eventualmente analizzare quale gene ha determinato la malattia. La mutazione più frequente e grave è la DF508 (delezione della fenilalanina in posizione 508), ci sono altre mutazioni producono forme più lievi di fibrosi cistica. Ma nonostante ciò è bene tenere presente che bambini con la stessa mutazione presentano diversi livelli di gravità in cui si esprime la malattia, che ricordiamo essere autosomica recessiva, il che significa che il bambino deve ricevere entrambi i geni mutati dai genitori e che questi geni si trovano sugli autosomi. In caso di non recessività si è portatori, e dal momento che questa è una malattia molto diffusa, nella popolazione c’è una buona percentuale di portatori. In questo caso, portando un solo gene mutato, non si evidenziano segni della malattia....