Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Cicloossigenasi


Molecola del Mese di Maggio 2001

Un Farmaco incredibile
Quale è il farmaco più diffuso oggi? È un efficace analgesico. Riduce la febbre e l'infiammazione quando il corpo diventa troppo zelante nel difendersi contro le infezioni e le contusioni. Rallenta la coagulazione del sangue, riducendo la probabilità di ictus e di attacco cardiaco nelle persone predisposte. Inoltre, ci sono sempre più evidenze che sia un efficace aiuto anche nella lotta contro il cancro. Questo farmaco incredibile, e dalle applicazioni così varie in medicina, è l'aspirina. L'aspirina viene usata professionalmente da circa un secolo, ma è stata usata in modo empirico fin dall'antichità. Un composto simile che si trova nella corteccia del salice, l'acido salicilico, viene utilizzato da molto tempo in erboristeria. Ma solo negli ultimi decenni abbiamo capito il meccanismo d'azione dell'aspirina, e come si potrebbe migliorarlo.

Prostaglandine
Come è logico aspettarsi da un farmaco con azioni così diverse, l'aspirina blocca un processo fondamentale nel corpo. L'aspirina blocca la produzione delle prostaglandine, importanti ormoni che vengono usati per trasportare messaggi a livello locale. Contrariamente alla maggior parte degli ormoni, che sono prodotti in ghiandole specializzate e poi trasportati in tutto il corpo dal sangue, le prostaglandine vengono sintetizzate dalle cellule e poi agiscono solo nell'area circostante prima di venire demolite. Le prostaglandine controllano molti processi locali compresa la secrezione di acido nello stomaco, la contrazione delle cellule muscolari attorno ai vasi sanguigni, l'aggregazione delle piastrine durante la coagulazione del sangue, e la contrazione uterina durante il travaglio. Le prostaglandine inoltre trasmettono e rinforzano i segnali del dolore e provocano l'infiammazione. Questi processi così diversi sono controllati da prostaglandine diverse, che però vengono tutte sintetizzate a partire da una sola molecola capostipite.
La cicloossigenasi (mostrata qui sopra, codice PDB 1prh) compie il primo passo nella sintesi delle prostaglandine a partire da un comune acido grasso, l'acido arachidonico. Come è illustrato nel riquadro qui a destra, la cicloossigenasi aggiunge due molecole di ossigeno all'acido arachidonico, cominciando una serie di reazioni che produrranno, alla fine, una varietà di prostaglandine diverse. L'aspirina impedisce il legame dell'acido arachidonico nel sito attivo della cicloossigenasi. I normali messaggi non possono più essere trasportati e così non sentiamo il dolore e non inneschiamo una risposta infiammatoria.

COX-1 e COX-2
In realtà noi possediamo due cicloossigenasi diverse (chiamate COX-1 e COX-2) e le utilizziamo per scopi diversi. La COX-1 è presente in quasi tutte le nostre cellule, sintetizza le prostaglandine usate in tutto il corpo per mantenere una corretta fisiologia. Il secondo enzima, la COX-2, viene prodotto solo occasionalmente e solo nelle cellule coinvolte nella risposta infiammatoria o immunitaria. Causa dolore e gonfiore in risposta ad un danno fisico o ad un infezione, aumenta la permeabilità delle pareti dei vasi sanguigni e fa giungere le cellule del sistema immunitario al tessuto danneggiato.
Sfortunatamente, l'aspirina attacca entrambe le cicloossigenasi. Dato che colpisce la COX-1, l'aspirina può condurre a complicazioni sgradevoli, come l'emorragia gastrica. Fortunatamente, stanno diventando disponibili farmaci specifici in grado di bloccare solo la COX-2, lasciando libera la COX-1 di compiere i suoi compiti essenziali. Queste nuovi farmaci sono antidolorifici e antipiretici selettivi, e non producono gli effetti collaterali indesiderati tipici dell'aspirina.

Un Enzima Complesso
Questo enzima, in realtà, ha due siti attivi diversi, chiamati complessivamente prostaglandina sintasi. Su un lato, c'è il sito attivo di cicloossigenasi discusso nella pagina precedente. Sul lato opposto, c'è il sito di perossidasi completamente separato dall'altro, che è necessario per attivare i gruppi eme che partecipano alla reazione di cicloossigenasi. Il complesso enzimatico in realtà è un dimero composto di due subunità identiche, così ci sono due siti attivi di cicloossigenasi e due siti attivi di perossidasi molto vicini gli uni agli altri. Inoltre, ogni subunità ha una piccola protuberanza ricca di catene idrocarburiche apolari, diretta verso il basso in questa figura. Queste protuberanze ancorano il complesso alla membrana del reticolo endoplasmatico, mostrata in azzurro sul fondo della figura. Il sito attivo di cicloossigenasi è nascosto in profondità all'interno della proteina, ed è raggiungibile attraverso un tunnel che sbuca al centro della protuberanza. Il tunnel si comporta come un imbuto, guidando l'acido arachidonico fuori dalla membrana e all'interno dell'enzima dove viene fatto reagire. Nella struttura mostrata qui (codice PDB 4cox), un farmaco (giallo e verde) sta bloccando il sito attivo in entrambe le subunità. In ogni subunità sono anche visibili i gruppi eme sopra le molecole del farmaco.

Esplorando la Struttura
La figura qui a fianco (codice PDB 1pth) mostra come l'aspirina blocca il sito attivo della cicloossigenasi. L'aspirina è composta da una molecola di acido salicilico legata ad un gruppo acetilico. Quando l'aspirina attacca la cicloossigenasi, trasferisce il suo gruppo acetilico ad un amminoacido di serina, disattivando in modo permanente l'enzima. La figura mostra un primo piano del sito attivo dopo che l'aspirina ha compiuto la sua opera. Il gruppo acetilico (bianco e rosso) è legato all'amminoacido serina (verde chiaro), e l'acido salicilico (rappresentato con sfere grandi) è legato lì vicino. La catena della proteina è mostrata in verde scuro.

Questa figura è stata creata con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sul codice di accesso PDB qui sopra e scegliendo una delle opzioni nel menù "View Structure".

Notate che questa struttura (codice PDB 1pth) include solamente una delle due subunità, così quando guarderete la struttura, vedrete solo la metà del complesso intero. Inoltre, in questa struttura, è stata usata una forma diversa di aspirina, che lega un atomo di bromo. L'atomo di bromo non è mostrato in questa figura.





Bibliografia
Lawrence J. Marnett, Scott W. Rowlinson, Douglas C. Goodwin, Amit S. Kalgutkar and Cheryl A. Lanzo (1999) Arachidonic Acid Oxygenation by COX-1 and COX-2. Journal of Biological Chemistry 274, 22903-22906.
William L. Smith, R. Michael Garavito and David L. DeWitt (1996) Prostaglandin Endoperoxide H Synthases (Cyclooxygenases)-1 and -2. Journal of Biological Chemistry 271, 33157-33160.