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

Trasportatori Multifarmaco


Molecola del Mese di Novembre 2007

Trasportatori Multifarmaco
Da quando, durante la seconda guerra mondiale, si è cominciato ad usare la penicillina (mdm 05/2002) come antibiotico, le infezioni batteriche fanno molto meno paura. Da allora sono stati sviluppati tanti nuovi antibiotici, alcuni isolati da fonti naturali, altri ottenuti per sintesi chimica, questo ha fornito ai medici un vasto arsenale di farmaci per combattere le infezioni.
I batteri, però, sono organismi in grado di evolversi velocemente, quindi hanno sviluppato varie strategie di resistenza. In alcuni casi hanno imparato a distruggere direttamente i farmaci antibiotici, per esempio alcuni batteri sintetizzano enzimi chiamati beta-lattamasi capaci di spezzare la molecola di penicillina. Altri batteri hanno modificato la struttura delle loro molecole che venivano attaccate dagli antibiotici diventando così immuni a quei farmaci. Per esempio, il batterio Stafilococco usa nuovi enzimi resistenti per costruire la parete cellulare. Infine, quando questi metodi non sono sufficienti, i batteri hanno un'altra strategia di resistenza di tipo generale. Costruiscono speciali pompe in grado di trasportare fuori dalla cellula gli antibiotici prima che questi possano svolgere il loro compito ed uccidere il batterio.

Pompe per farmaci
I trasportatori multifarmaco intercettano i farmaci che cercano di entrare attraverso la membrana cellulare e li rimandano indietro, fuori dalla cellula. Il trasportatore mostrato qui è chiamato Sav 1866 (file PDB 2onj) e si trova nel batterio Stafilococco. Questa proteina è composta di due subunità identiche unite tra loro per formare un tunnel. Quando i farmaci entrano nel tunnel, sul fondo della porzione larga vengono idrolizzate due molecole di ATP (una delle quali si intravvede in rosso), questo provoca un movimento a forbice che fa aprire il tunnel verso la parte esterna e fa uscire il farmaco. Questa struttura rappresenta la proteina Sav nel suo stadio finale, con la forbice aperta, pronta a rilasciare il farmaco verso l'alto, all'esterno della membrana cellulare.

Difendere le Cellule
Nell'uomo esiste una molecola molto simile, chiamata glicoproteina-P, che trasporta i farmaci fuori dalle cellule. Si trova sulla superficie delle cellule del sistema digerente dove ha il compito di proteggerci dalle molecole tossiche che assumiamo con la dieta. La glicoproteina-P si trova anche sulla superficie interna dei vasi sanguigni del cervello dove forma una seconda linea di difesa per proteggere il cervello. Questa proteina è simile al trasportatore Sav dello Stafilococco, ma è composta da una sola, lunga catena invece che da due subunità identiche. E' in grado di trasportare una grande varietà di farmaci come la ciclosporina-A, steroidi come l'idrocortisone, gli inibitori della proteasi usati per trattare le infezioni da HIV. Purtroppo però trasporta anche molti farmaci antitumorali e questo può dare seri problemi ai pazienti ammalati di cancro. Le cellule cancerose, come i batteri, mutano molto velocemente e, se riescono a sovraesprimere questo trasportatore, possono diventare resistenti alla chemioterapia.

Trasportatori di Ogni Forma e Dimensione
I batteri hanno sviluppato molti tipi differenti di trasportatori multifarmaco per proteggersi dagli antibiotici naturali e da quelli usati dall'uomo nelle terapie. Alcuni utilizzano il movimento a forbice prodotto dalla scissione di ATP come Sav 1866, e assomigliano ai trasportatori che spingono altre molecole come lipidi e vitamine attraverso le membrane cellulari. Altri sono più semplici, come EmrD di Escherichia coli (file PDB 2gfp) che è una piccola pompa di membrana che è azionata dal flusso di ioni idrogeno attraverso la proteina. Altri ancora sono molto più complessi.
Il trasportatore AcrB (file PDB 1iwg) spinge i farmaci fuori dalla membrana interna di Escherichia coli e li dirige verso un tubo formato da TolC (file PDB 1ek9) che li trasporta attraverso la membrana esterna della cellula. La proteina AcrA (file PDB 2f1m) forma un anello che connette AcrB e TolC, legando così l'intero complesso per formare un solo lungo tubo.



Esplorando la Struttura
Recenti strutture del trasportatore AcrB suggeriscono che questo utilizzi un insolito meccanismo ciclico per pompare i farmaci fuori dalla cellula. La proteina è composta di tre subunità identiche che però hanno conformazioni leggermente differenti. La struttura mostrata qui a fianco (file PDB 2drd) ha l'antibiotico minociclina legato in una subunità. L'immagine di sinistra mostra la catena principale della proteina e consente di vedere il punto nel quale è legato il farmaco che è evidenziato in verde. Se tagliamo via la parte inferiore della proteina, quella sotto la linea rossa, e osserviamo la sezione della porzione rimasta, otteniamo l'immagine di destra nella quale sono visibili tutti e tre i siti di legame.
Il primo sito (marcato 1) ha il farmaco legato, verde, al suo interno.
Il secondo sito (marcato 2) ha assunto una nuova conformazione che ha aperto un percorso verso il tunnel al centro del complesso.
Il terzo sito (marcato 3) si trova in una conformazione ancora diversa che lo mette in comunicazione con la parte esterna della struttura e quindi con la membrana cellulare (non mostrata) nella quale la proteina è immersa e si può quindi legare a nuove molecole di farmaco. Assumendo ciclicamente queste tre conformazioni, il trasportatore prende le molecole di farmaco dalla membrana (3), le trattiene per qualche istante (1) e poi le spinge fuori dalla cellula (2).
Negli archivi PDB sono disponibili anche strutture di ArcB ottenute qualche tempo fa (file PDB 1oy8 o 1oyd) che mostrano il farmaco legato in un punto diverso: nel tunnel centrale formato dalle tre subunità. Queste strutture suggerivano un diverso meccanismo d'azione, nel quale i farmaci venivano estratti dal citoplasma e poi spinti fuori dalla membrana.

Ulteriori Informazioni sui Trasportatori Multifarmaco

C. F. Higgins (2007)
Multiple molecular mechanisms for multidrug resistance transporters.
Nature
446, 749-757.

M. Hennessy and J. P. Spiers (2007)
A primer on the mechanics of P-glycoprotein the multidrug transporter.
Pharmacological Research
55, 1-15.

M. N. Alekshun and S. B. Levy (2007)
Molecular mechanisms of antibacterial drug resistance.
Cell
128, 1037-1050.